自然界中，从细菌菌落到细胞骨架，大量活性物质展现出令人惊叹的集体行为。然而，这些复杂现象背后的物理机制是什么？形状如何影响微观粒子的自组织？一项最新的研究通过人工合成的光驱活性棒状材料，系统揭示了形状各向异性与浓度如何共同调控从无序运动到有序集群、乃至活性湍流的丰富相行为。
在活性软物质研究领域，微米尺度的自驱动粒子因其能够模拟生命系统的集体行为而备受关注。与各向同性的球形粒子不同，细长粒子会因其形状而产生本征的各向异性排列效应，并经历与取向相关的立体和水动力学相互作用，从而产生截然不同的集体动力学。尽管诸多理论和模拟研究预测，自驱动棒状材料可展现出包括集群、极性群游、向列相有序、活性湍流乃至堵塞在内的丰富涌现行为，但此前的实验研究大多局限于干燥的颗粒体系，缺乏流体力学相互作用和热涨落，难以真实反映生物体系的复杂动力学。因此，开发一种能够同时捕捉生物微游泳体关键特征（如微米尺度、沿长轴推进）的“最小模型”体系，对于理解自组织的物理机制、并将其与生物化学信号（如群体感应）解耦至关重要。
针对这一挑战，荷兰特文特大学Hanumantha Rao Vutukuri课题组结合实验与活性布朗动力学模拟，系统揭示了形状诱导的排列效应、立体和水动力学相互作用如何主宰活性棒状材料的自组织。通过独立改变棒的长径比和面积分数，他们观察到一系列相变过程，包括活性布朗运动、集群、活性湍流、群游、大团簇和堵塞。最终，他们绘制了一幅相图，总结了这些涌现行为，并通过时空分析揭示了不同状态下独特的巨数涨落现象。该最小模型为理解生物棒状微游泳体的自组织提供了新视角，并为可编程合成活性材料的设计提供了物理规则。相关论文以“Shape anisotropy governs organization of active rods: Swarming, turbulence, flocking, and jamming”为题，发表在Science上，并被选为当期封面论文。
实验中，研究团队合成了由二氧化钛头部和二氧化硅尾部组成的光驱胶体棒。这些棒在绿光照射下，头部发生光催化氧化还原反应，产生局部化学梯度，驱动棒沿长轴方向推进。为了理解流体力学相互作用如何促进团簇形成，研究者利用二氧化硅示踪粒子观测了棒周围的流场。粒子图像测速显示，流体从头部前端向外推出，并在头部后方弯曲向内，沿尾部方向耗散。这一流场模式表明该棒属于“推进型”推进机制，与许多生物体系的特征一致。定量分析表明，示踪粒子速度随距离的衰减服从vr(r)=A/r2的关系，偶极强度A=36.9μm4/s，该标度关系与考虑趋化相互作用和渗透流的理论预测相符。当用聚合物刷层包被示踪粒子以抑制趋化运动时，示踪粒子仅表现出从棒头部向外的渗透流，而无向内的运动，进一步证实了流场的来源。
图1. 长径比α=7.5的活性胶体杆的集体运动。 （A）流线及流速分布显示流体在杆头部被强烈推离，而流线在头部后方弯曲并沿尾部耗散，证实杆表现出pusher型行为。 （B）裸二氧化硅和pNIPAM包覆二氧化硅示踪粒子在杆头部前方的径向速度分量vr与距离r的关系。（插图）vr与r的双对数图显示裸示踪粒子的标度接近1/r³。黑线表示指数为−2.9的拟合。误差条代表四根杆的标准差。
当两根棒以头对头、推进方向相反的方式靠近时，它们会经历水动力学排斥；而当它们以锐角同向推进并靠近时，重叠的横向流场会诱导水动力学吸引，形成配对。这种水动力学相互作用是团簇形成的基础。随着面积分数增加，系统的集体行为发生了显著变化。在低面积分数（ϕ≤0.06）时，棒呈现活性布朗运动，随机探索空间。当ϕ=0.11 时，相互作用导致棒自组织成2-5根的小团簇。在ϕ=0.23 时，形成内聚性的集群，局部取向一致并集体运动。当ϕ=0.39 时，系统进入活性湍流相，相同取向的团簇频繁碰撞，产生旋转的混沌涡旋运动。进一步增加 ϕ 至 0.72，形成更大、稳定、缓慢移动的团簇。最终在ϕ≈0.9 时，系统完全堵塞，棒被固定。值得注意的是，在集群内部，棒呈现交错的之字形排列，这源于流体介导的水动力学排斥与头部后方微弱的趋化吸引之间的平衡。通过使用头尾尺寸相同的棒，研究者确认集群行为并非由稍大的头部导致，而是极性活性棒的一个普遍特征。
图1（C至F）代表性明场与荧光显微图像显示了随面积分数（φ）增加而不同的集体状态：（C）φ=0.01，各向同性状态。插图显示具有TiO₂头部和SiO₂尾部的杆的扫描电子显微镜图像。（D）φ=0.23，集群状态。插图显示团簇内杆的横向交错或锯齿形排列。（E）φ=0.39，湍流状态。（F）φ=0.72，大团簇状态。标尺：10微米（F），1微米（C插图）。
为了定量刻画不同状态的时空动力学，研究者分析了速度自相关函数和数密度涨落。速度自相关函数在不同状态下表现出鲜明差异：各向同性相中衰减缓慢，反映了持续运动与微弱相互作用；集群和湍流相中衰减加快，尤其是湍流相中由混沌局部流和强水动力学扭矩导致的衰减最快；而大团簇相中则表现为初期陡降（由立体约束导致）与后期缓慢衰减（由密集稳定团簇导致）相结合的特征。数密度涨落的标度分析进一步揭示了非平衡行为。在平衡系统中，涨落遵循中心极限定理，标度指数β=0。而在此实验中，各向同性相 (ϕ=0.01) 的β≈0.10，接近平衡；集群相 (ϕ=0.23) 的 β≈0.21，呈现中等程度的巨数涨落；湍流相 (ϕ=0.39) 的β≈0.38，表现出强烈的巨数涨落，反映了强关联运动；而在大团簇相 (ϕ=0.72) 中，β≈0.05，涨落被强烈抑制。这些标度行为揭示了从微弱相互作用到强关联、再到拥挤抑制的完整转变。
图2. 活性胶体杆的时空动力学。 （A）不同面积分数下的速度自相关函数（VACF）。（B）不同面积分数下的归一化数涨落ΔN/√⟨N⟩与平均粒子数⟨N⟩的关系。（C）不同面积分数下的团簇尺寸分布。（D至G）不同集体状态的相应图像：各向同性（D）、集群（E）、湍流（F）和大团簇（G）。（H）湍流状态的涡量图。
长径比是调控集体行为的关键参数。通过对比长径比α=4.5、7.5、11.6 和15.1 的棒，研究者发现了迥异的相行为。短棒 (α=4.5) 因高转动扩散和弱排列作用，在高密度下仅形成瞬态无序团簇并发生相分离，稀释与密集区域共存。中等长径比 (α=7.5) 的棒则呈现出最丰富的相图：从各向同性到集群、再到活性湍流、大团簇和堵塞。而高长径比 (α=15.1) 的棒表现出更强的形状诱导排列和更低的转动扩散，集体运动在更低的面积分数下即可触发。它们呈现集群行为，并在中等面积分数下形成更大的群游结构。与 α=7.5 在ϕ=0.39 时出现湍流不同，高长径比棒在相同条件下湍流被抑制，转而形成群游状态。这证实了高各向异性会抑制湍流，与先前的模拟预测一致。随着长径比增加，相干运动所覆盖的面积分数范围也相应扩大。
图3. 三种不同长径比在一系列面积分数范围内的涌现集体状态。 长径比α=4.5的短杆由于其高旋转扩散，在中等面积分数下产生瞬态团簇状态。在更高面积分数下，其低各向异性导致相分离为稀薄和致密区域。相比之下，长杆（α=11.6和α=15.1）展现出与α=4.5杆不同的集体行为，随面积分数增加依次出现集群、群集和大团簇状态。α=11.6和α=15.1杆的图像经过带通滤波处理以增强对比度和视觉清晰度。标尺：20微米。
为了解耦立体与水动力学相互作用的贡献，研究者进行了排除水动力学的活性布朗动力学模拟。模拟中，棒仅通过排斥立体相互作用、粒子数和转动扩散产生集体行为。模拟重现了团簇化和集群行为，但完全无法产生活性湍流。这一关键差异突显了实验中存在的水动力学相互作用（包括流体介导的扭矩和流场）对于驱动系统进入活性湍流状态的核心作用。模拟与实验在团簇尺寸分布、数密度涨落和速度自相关函数上的趋势一致性，也验证了模型的有效性。
图4. 活性杆的实验状态相图。 符号表示不同长径比：方形为α=4.5，圆形为α=7.5，三角形为α=11.6，叉号为α=15.1。颜色编码的背景区域作为视觉指南，突出不同的集体状态：各向同性（蓝色）：随机取向的杆，无集体运动；集群（绿色）：排列的杆表现出集体运动（α=7.5、α=11.6和α=15.1）；瞬态团簇（粉色，α=4.5）：形成并快速消散的小团簇；湍流（红色，α=7.5）：混沌涡旋运动，杆频繁碰撞；群集（黄色）：集群合并形成更大的群集集体运动（α=11.6和α=15.1）；大团簇（紫色）：形成大团簇，核心内移动受限（α=7.5、α=11.6和α=15.1）；相分离（灰色）：致密团簇与稀薄区域共存（α=4.5）；堵塞（棕色）：杆的移动完全被抑制。
综合实验与模拟结果，该研究清晰地展示了形状诱导排列、粒子浓度和水动力学相互作用如何共同主宰活性棒的自组织。研究不仅构建了一幅涵盖从各向同性运动到集群、活性湍流、群游、大团簇和堵塞的完整相图，还揭示了水动力学扭矩在动态重取向棒、产生局部涡量和旋转应力以驱动活性湍流中的关键作用。有趣的是，该研究为生物学中长期观察到的现象——野生型大肠杆菌和枯草芽孢杆菌（长径比约5.6-6.3）呈现湍流，而细长突变体（长径比13-25）则不呈现湍流——提供了物理层面的解释：天然游泳者可能演化出了优化集体输运和混合的最佳长径比。这项研究为理解活性物质中形状依赖的集体动力学建立了框架，并将推动更真实的理论与模拟模型的发展，对可编程集群、自适应输运和仿生材料设计具有深远意义。
热门跟贴