手性活性物質(zhì)的集體運(yùn)動(dòng)行為的研究進(jìn)展

　　由自驅(qū)動(dòng)單元組成的活性物質(zhì)，例如細(xì)菌溶液和自驅(qū)動(dòng)膠體，是一類重要的軟物質(zhì)系統(tǒng)。由于其固有的非平衡特性，活性物質(zhì)經(jīng)常表現(xiàn)出奇特的行為，在微器件與智能材料方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前，探索由自旋活性粒子組成的手性活性物質(zhì)（破缺宇稱和時(shí)間反演對(duì)稱性），并理解其反常的物理行為，是軟物質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。手性活性物質(zhì)的一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，它在受限條件下可以出現(xiàn)自發(fā)的單向集體邊緣流，這種邊緣流甚至是受拓?fù)浔Ｗo(hù)的，具有穩(wěn)定的物料輸運(yùn)能力。

　　對(duì)這一獨(dú)特現(xiàn)象的理解通常是基于不可壓縮、無結(jié)構(gòu)的均質(zhì)流體理論框架。大量研究表明，自旋粒子與約束邊界的相互作用對(duì)邊緣流的出現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。然而，除了這種直接的相互作用，由于粒子位置的關(guān)聯(lián)性，約束還會(huì)導(dǎo)致空間上不均勻的粒子密度分布。密度不均勻性普遍存在于受限的多體系統(tǒng)中，而其對(duì)手性活性物質(zhì)集體行為的影響仍不清楚。

　　近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室博士后劉鵬和曾穎（已出站）在副研究員楊明成、研究員葉方富、研究員陳科指導(dǎo)下，與北京理工大學(xué)教授鄭寧小組合作，深入研究了受限環(huán)境中手性活性物質(zhì)的集體運(yùn)動(dòng)行為。

　　研究人員結(jié)合理論計(jì)算，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量，探索了受限導(dǎo)致的非均勻性對(duì)活性轉(zhuǎn)子集體行為的影響。他們發(fā)現(xiàn)手性活性物質(zhì)沿約束邊界存在劇烈的空間振蕩的集體邊緣流。在微觀上，活性轉(zhuǎn)子的非均勻分布導(dǎo)致了空間非均勻的摩擦應(yīng)力，該應(yīng)力是產(chǎn)生振蕩集體運(yùn)動(dòng)的根源。

　　該研究進(jìn)一步表明，隨著系統(tǒng)密度的變化，集體行為會(huì)經(jīng)歷三種不同的運(yùn)動(dòng)模式：粘性模式、粘彈性模式和彈性模式。不同運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)起源對(duì)應(yīng)于類固區(qū)域的聯(lián)通，以及缺陷引起的粒子重排。這些發(fā)現(xiàn)提升了人們對(duì)受限條件下手性活性物質(zhì)集體行為的理解，并澄清了非均勻性和可壓縮性對(duì)活性系統(tǒng)出現(xiàn)集體行為的重要性。該成果發(fā)表在PNAS上。