北理工在手性活性物質研究方面取得重要進展


  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為,并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),并理解其反常的物理行為,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為的影響仍不清楚。

圖1 模擬和實驗系統示意圖

  近期,北京理工大學物理學院鄭寧副教授與中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質實驗室的楊明成研究員、葉方富研究員、陳科研究員所在團隊開展合作,深入地研究了受限環境中手性活性物質的集體運動行為(圖1)。

圖2 通過模擬和實驗觀測到的不同的集體運動模式

圖3 通過局域晶體序、連通概率、平均缺陷數目識別不同運動模式的結構起源

  研究人員結合理論計算,數值模擬和實驗測量,探索了受限導致的非均勻性對活性轉子集體行為的影響。他們發現手性活性物質沿約束邊界存在劇烈的空間振蕩的集體邊緣流(圖2)。在微觀上,活性轉子的非均勻分布導致了空間非均勻的摩擦應力,該應力是產生振蕩集體運動的根源。該研究進一步表明,隨著系統密度的變化,集體行為會經歷三種不同的運動模式:粘性模式、粘彈性模式和彈性模式。不同運動模式轉變的結構起源對應于類固區域的聯通,以及缺陷引起的粒子重排(圖3)。這些發現大大地提升了人們對受限條件下手性活性物質集體行為的理解,并澄清了非均勻性和可壓縮性對活性系統出現集體行為的重要性。該成果發表在近期的Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 上。

  北理工博士生朱紅偉、中科院物理所博士后劉鵬和曾穎為論文的共同第一作者,北理工鄭寧副教授和中科院物理所葉方富研究員、楊明成研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到了中國國家自然科學基金(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。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.1922633117

 

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