進展 | “人造活性物質湧現叢集行為”研究的系列進展

活性物質是由自驅動單元所組成的一類重要非平衡體系，普遍地存在於自然界之中，包括從奈米尺度的馬達蛋白，到微米尺度的細菌，再到宏觀尺度的鳥群等。活性物質由於在單粒子層面破缺了時間反演對稱性，因此經常展現出自發的叢集運動行為。活性物質叢集行為是非平衡統計物理的重要研究方向，也是2021年Nobel物理學獎所涵蓋的領域之一。

受自然界中生命活性體系的啟發，近年來人們已經利用簡單的物理化學效應實現了人造活性物質，例如最為常見的自擴散泳活性膠體（微米顆粒透過催化反應所產生的化學梯度來驅動自身運動）。研究人造活性物質的叢集行為不僅對理解群體智慧的湧現、設計先進材料與微納機器人具有重要意義，也有望在非平衡物理、生物醫學等領域實現重大突破。

最近，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SM8組楊明成研究員帶領的團隊，聯合物理所葉方富團隊、陳科團隊，蘇州大學董彬課題組，哈爾濱工業大學賀強課題組，香港大學唐晉堯課題組和北京理工大學鄭寧課題組，以活性顆粒體系為模型，結合理論，模擬與實驗對人造活性物質叢集行為進行了深入地探索，取得了以下研究成果：

1.活性膠體叢集行為的光調控

微生物（如綠藻）經常能夠響應光照強度進行雙向的趨光運動，即弱光下靠近光源而強光下遠離光源，這對微生物獲取食物和逃避危害是至關重要的。然而，目前的人造活性膠體僅具有單向的趨光運動。為了實現這種仿生的雙向趨光行為，此項工作聯合光催化誘導的自擴散泳和光熱效應誘導的自熱泳，作為活性膠體的推進機制。選取的這兩種自泳機制分別產生反向的推進力，並且具有不同的光強依賴性。研究表明這樣設計的人造活性物質在均勻光照下能夠展現出雙向趨光行為（圖1左）；而在非均勻光場下，正負趨光性之間的競爭可導致活性膠體湧現出渦旋叢集運動（圖1中）。這些發現為發展仿生的光響應活性系統邁出了重要一步。相關工作發表在PNAS 118, e2104481118 (2021)。

光不僅可以導致活性粒子的趨光運動，也能改變粒子間的有效相互作用。比如，光催化驅動的活性粒子可以在周圍創造一個局域化學梯度場，進而透過擴散泳效應影響近鄰粒子的運動軌跡，可表現出長程的吸引或排斥作用（依賴粒子屬性）。此項工作基於光誘導的有效吸引作用，實現了對活性膠體叢集的幾何形貌及位置的動態調控（圖1右），為活性膠體的可控組裝和軟材料設計提供了新途徑。相關工作發表在Angew. Chem. Int. Ed. 60, 16674 (2021)。

圖1：（左）活性膠體的雙向趨光運動，（中）非均勻光場下活性膠體的渦旋叢集運動，（右）活性膠體叢集的動態光操控。

2.具有化學通訊效應的活性膠體的叢集行為

生命活性物質的叢集運動通常是極其動態的，以至於能對外界刺激做出快速且智慧的響應（如鳥群）。這樣的動態叢集行為，微觀上起源於活性單體之間可以彼此通訊，進而自適應地調節自身活性。一個有趣的問題是：人造活性膠體是否能夠湧現出類似的“智慧”群體行為？能否在活性粒子間建立有效的通訊是回答上述問題的關鍵所在。

在該工作中，研究人員考慮了由兩種化學驅動的活性膠體所構成的混合物，其中兩種活性粒子各自的反應產物互為對方的“食物”或反應促進劑，從而十分巧妙地實現了兩種粒子間的化學通訊（圖2左）。當兩類粒子距離較近時它們具有很強的活性，反之其活性急劇降低（圖2中），從而活性粒子能根據周圍環境改變其活性。研究表明此類活性膠體確實具有類似於鳥群形貌極其動態的叢集行為（圖2右）。該活性體系甚至展現出一定表觀上的“群體智慧”：可感知系統邊界的曲率，並自發地累積到曲率最大處。此項研究為發展人造活性膠體系統的群體智慧提供了重要的基礎和依據。相關工作發表在Nature Nanotechnology 16, 288 (2021)。

圖2：（左）化學通訊的活性膠體示意圖，（中）膠體活性依賴粒子間的距離，（右）人造活性膠體的類鳥群行為。

3.手性活性流體的拓撲邊界輸運

除了自驅動平動，活性粒子也可以經歷自驅動轉動。活性轉子同時破缺了時間反演和宇稱對稱性，由它所組成的系統被稱作手性活性物質。手性活性流體具有兩個重要特性：拓撲保護的集體邊緣流（圖3左）和無耗散的奇粘度。利用傳統的流體流攜帶其中的懸浮物體是最常見的貨物輸運方式之一。與之相比，我們並不清楚拓撲邊緣流是否具有類似的功能。為了實現貨物在邊緣流中的局域輸運，貨物需要自發且穩定地貼靠在系統邊界，進而跟隨邊緣流定向運動。此項研究證明了在奇粘度增強的耗盡力作用下，貨物能夠穩定地位於系統邊界，魯棒地沿著邊界單向運動，不受障礙物的影響（圖3中）。並且，貨物的輸運可被靈活調控（圖3右）。該發現為利用活性物質集體邊緣流進行物料的魯棒輸運提供了可能。相關工作發表在PRL 126, 198001 (2021)。