这些粒子悬浮于水中，并暴露在交变电场下。
日本研究人员揭示了数千个微小颗粒如何通过打破牛顿作用与反作用对称性，自发配对、移动并自我重组。
这项研究由东京理科大学先进工学部教授住野丰博士和吉井究博士完成。他们构建了一个包含超过一万个胶体颗粒的大规模胶体系统，并对其行为进行了超过一小时的观察。
在交变电场作用下，不同尺寸的颗粒开始发生不对等的相互作用。大颗粒对小颗粒的吸引力，强于小颗粒对大颗粒的吸引力。这种相互作用使被动粒子成对结合，并在液体中自行推进。
“我们的系统提供了一个实验上可控的非互易多体物理实例，其中被打破的作用-反作用对称性催生了集体现象。”住野解释道。
打破力的平衡
在普通被动系统中，相互作用是互易的。根据牛顿第三运动定律，每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。简单来说，当一个物体对另一个物体施加力时，第二个物体会回以相等且反向的力。
为了创建具有非互易相互作用的系统，研究团队将半径分别为1微米和1.5微米的聚苯乙烯胶体颗粒悬浮于水中，然后将它们限制在涂有氧化铟锡的透明电极之间。
当研究团队施加交变电场后，颗粒周围形成了电流体动力学流。他们发现，这些流动的强度强烈依赖于颗粒尺寸。较大的颗粒比较小的颗粒产生更强的流动，这意味着它们通过电流体动力学效应介导的吸引力也更强。
结果，这种不平衡在不同尺寸的颗粒之间产生了非互易相互作用。颗粒随后自发结合成具有清晰前后端的不对称配对。虽然单独一个颗粒无法自行推进，但当它们组合在一起时，就表现得像一个自推进单元。
随着更多配对出现，它们开始组装成更大的团簇。但与传统相互吸引的颗粒不同，这些团簇并没有简单地持续增长。
团簇拒绝长大
结果显示，这些团簇并没有一味地增大，而是反复分裂、重排并再次形成。自推进的配对在团簇内部不断产生运动，阻止了巨大静态聚集体的形成。
研究人员将这种行为与只含单一尺寸颗粒的悬浮液进行了比较。在后一类系统中，相互作用保持互易，颗粒逐渐组装成静态的晶体结构。
数值模拟重现了实验结果，并表明非互易配对推进是维持这种异常团簇动力学所需的最小机制。
“这项研究证明，打破作用-反作用对称性可以成为物质自发形成动态秩序的一种普遍机制。”住野在新闻稿中总结道，“不过在本研究中，我们发现电场下的胶体颗粒表现出意想不到的行为：它们相互吸引，却并不形成巨大的团块，而是聚集后又分开。”
研究团队表示，类似的非互易相互作用可能出现在生物系统中，例如细胞群落和动物群体。这些发现可为研究集体行为在不同系统中如何涌现提供框架。同时，这一机制也可能影响新技术的发展，包括可编程材料和外部控制的微型机器人系统。
该研究已发表在《物理评论快报》期刊上。
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