中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SM8組供稿
第47期
2020年06月16日
受限導致手性活性物質的振蕩集體運動

  由自驅動單元組成的活性物質,例如細菌溶液和自驅動膠體,是一類重要的軟物質系統。由于其固有的非平衡特性,活性物質經常表現出奇特的行爲,並在微器件與智能材料方面具有潛在的應用價值。當前,探索由自旋活性粒子組成的手性活性物質(破缺宇稱和時間反演對稱性),並理解其反常的物理行爲,是軟物質領域的一個研究熱點。手性活性物質的一個特別有趣的現象是:它在受限條件下可以出現自發的單向集體邊緣流,這種邊緣流甚至是受拓撲保護的,具有穩定的物料輸運能力。對這一獨特現象的理解通常是基于不可壓縮、無結構的均質流體理論框架。大量研究表明,自旋粒子與約束邊界的相互作用對邊緣流的出現起著至關重要的作用。然而,除了這種直接的相互作用,由于粒子位置的關聯性,約束還會導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中,它對手性活性物質集體行爲的影響仍不清楚。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心软物质实验室的博士后刘鹏和曾颖(已出站)在杨明成副研究員、叶方富研究員、陈科研究員的指导下,与北京理工大学郑宁教授小组合作,深入地研究了受限环境中手性活性物质的集体运动行为(图1)。

  研究人员结合理论计算,数值模拟和实验测量,探索了受限导致的非均匀性对活性转子集体行为的影响。他们发现手性活性物质沿约束边界存在剧烈的空间振荡的集体边缘流(图2)。在微观上,活性转子的非均匀分布导致了空间非均匀的摩擦应力,该应力是产生振荡集体运动的根源。该研究进一步表明,随着系统密度的变化,集体行为会经历三种不同的运动模式:粘性模式、粘弹性模式和弹性模式。不同运动模式转变的结构起源对应于类固区域的联通,以及缺陷引起的粒子重排(图3)。这些发现大大地提升了人们对受限条件下手性活性物质集体行为的理解,并澄清了非均匀性和可压缩性对活性系统出现集体行为的重要性。该成果发表在近期的Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 上。

  該研究得到了國家自然科學基金委(11874397,11674365,11774394),中國科學院前沿科學重點研究計劃(QYZDB-SSW-SYS003)和K.C.Wong教育基金的支持。


图1 模拟和实验系统示意图


图2 通过模拟和实验观测到的不同的集体运动模式


图3 通过局域晶体序、连通概率、平均缺陷数目识别不同运动模式的结构起源