“人造活性物质涌现集群行为”研究的系列进展
来源：物理研究所|发布时间：2021-12-31|【 】
活性物质是由自驱动单元所组成的一类重要非平衡体系，普遍地存在于自然界之中，包括从纳米尺度的马达蛋白，到微米尺度的细菌，再到宏观尺度的鸟群等。活性物质由于在单粒子层面破缺了时间反演对称性，因此经常展现出自发的集群运动行为。活性物质集群行为是非平衡统计物理的重要研究方向，也是2021年nobel物理学奖所涵盖的领域之一。
受自然界中生命活性体系的启发，近年来人们已经利用简单的物理化学效应实现了人造活性物质，例如最为常见的自扩散泳活性胶体（微米颗粒通过催化反应所产生的化学梯度来驱动自身运动）。研究人造活性物质的集群行为不仅对理解群体智能的涌现、设计先进材料与微纳机器人具有重要意义，也有望在非平衡物理、生物医学等领域实现重大突破。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质实验室sm8组杨明成研究员带领的团队，联合物理所叶方富团队、陈科团队，苏州大学董彬课题组，哈尔滨工业大学贺强课题组，香港大学唐晋尧课题组和北京理工大学郑宁课题组，以活性颗粒体系为模型，结合理论，模拟与实验对人造活性物质集群行为进行了深入地探索，取得了以下研究成果：
1.活性胶体集群行为的光调控
微生物（如绿藻）经常能够响应光照强度进行双向的趋光运动，即弱光下靠近光源而强光下远离光源，这对微生物获取食物和逃避危害是至关重要的。然而，目前的人造活性胶体仅具有单向的趋光运动。为了实现这种仿生的双向趋光行为，此项工作联合光催化诱导的自扩散泳和光热效应诱导的自热泳，作为活性胶体的推进机制。选取的这两种自泳机制分别产生反向的推进力，并且具有不同的光强依赖性。研究表明这样设计的人造活性物质在均匀光照下能够展现出双向趋光行为（图1左）；而在非均匀光场下，正负趋光性之间的竞争可导致活性胶体涌现出涡旋集群运动（图1中）。这些发现为发展仿生的光响应活性系统迈出了重要一步。相关工作发表在pnas 118, e2104481118 (2021)。
光不仅可以导致活性粒子的趋光运动，也能改变粒子间的有效相互作用。比如，光催化驱动的活性粒子可以在周围创造一个局域化学梯度场，进而通过扩散泳效应影响近邻粒子的运动轨迹，可表现出长程的吸引或排斥作用（依赖粒子属性）。此项工作基于光诱导的有效吸引作用，实现了对活性胶体集群的几何形貌及位置的动态调控（图1右），为活性胶体的可控组装和软材料设计提供了新途径。相关工作发表在angew. chem. int. ed. 133, 16810 (2021)。
图1：（左）活性胶体的双向趋光运动，（中）非均匀光场下活性胶体的涡旋集群运动，（右）活性胶体集群的动态光操控。
2.具有化学通讯效应的活性胶体的集群行为
生命活性物质的集群运动通常是极其动态的，以至于能对外界刺激做出快速且智能的响应（如鸟群）。这样的动态集群行为，微观上起源于活性单体之间可以彼此通讯，进而自适应地调节自身活性。一个有趣的问题是：人造活性胶体是否能够涌现出类似的“智能”群体行为？能否在活性粒子间建立有效的通讯是回答上述问题的关键所在。在该工作中，研究人员考虑了由两种化学驱动的活性胶体所构成的混合物，其中两种活性粒子各自的反应产物互为对方的“食物”或反应促进剂，从而十分巧妙地实现了两种粒子间的化学通讯（图2左）。当两类粒子距离较近时它们具有很强的活性，反之其活性急剧降低（图2中），从而活性粒子能根据周围环境改变其活性。研究表明此类活性胶体确实具有类似于鸟群形貌极其动态的集群行为（图2右）。该活性体系甚至展现出一定表观上的“群体智能”：可感知系统边界的曲率，并自发地累积到曲率最大处。此项研究为发展人造活性胶体系统的群体智能提供了重要的基础和依据。相关工作发表在nature nanotechnology 16, 288 (2021)。
图2：（左）化学通讯的活性胶体示意图，（中）胶体活性依赖粒子间的距离，（右）人造活性胶体的类鸟群行为。
3.手性活性流体的拓扑边界输运
除了自驱动平动，活性粒子也可以经历自驱动转动。活性转子同时破缺了时间反演和宇称对称性，由它所组成的系统被称作手性活性物质。手性活性流体具有两个重要特性：拓扑保护的集体边缘流（图3左）和无耗散的奇粘度。利用传统的流体流携带其中的悬浮物体是最常见的货物输运方式之一。与之相比，我们并不清楚拓扑边缘流是否具有类似的功能。为了实现货物在边缘流中的局域输运，货物需要自发且稳定地贴靠在系统边界，进而跟随边缘流定向运动。此项研究证明了在奇粘度增强的耗尽力作用下，货物能够稳定地位于系统边界，鲁棒地沿着边界单向运动，不受障碍物的影响（图3中）。并且，货物的输运可被灵活调控（图3右）。该发现为利用活性物质集体边缘流进行物料的鲁棒输运提供了可能。相关工作发表在phys. rev. lett. 126, 198001 (2021)。
图3：（左）活性转子的自发拓扑边缘流，（中）非活性货物的鲁棒边界输运，（右）货物贴边驻留时间及输运速度与转子活性的关系。
以上工作得到了国家自然科学基金委、中科院b类先导专项的资助。
文章链接:
https://www.pnas.org/content/118/42/e2104481118.short
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.202105746
https://www.nature.com/articles/s41565-020-00825-9
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/physrevlett.126.198001
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