北理工在手性活性物質(zhì)研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2020-09-10 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
由自驅(qū)動單元組成的活性物質(zhì)，例如細菌溶液和自驅(qū)動膠體，是一類重要的軟物質(zhì)系統(tǒng)。由于其固有的非平衡特性，活性物質(zhì)經(jīng)常表現(xiàn)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(zhì)（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(zhì)領域的一個研究熱點。手性活性物質(zhì)的一個特別有趣的現(xiàn)象是：它在受限條件下可以出現(xiàn)自發(fā)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(wěn)定的物料輸運能力。對這一獨特現(xiàn)象的理解通常是基于不可壓縮、無結(jié)構的均質(zhì)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(xiàn)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(lián)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(tǒng)中，它對手性活性物質(zhì)集體行為的影響仍不清楚。
圖1 模擬和實驗系統(tǒng)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(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)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(huán)境中手性活性物質(zhì)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(shù)目識別不同運動模式的結(jié)構起源
研究人員結(jié)合理論計算，數(shù)值模擬和實驗測量，探索了受限導致的非均勻性對活性轉(zhuǎn)子集體行為的影響。他們發(fā)現(xiàn)手性活性物質(zhì)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(zhuǎn)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(chǎn)生振蕩集體運動的根源。該研究進一步表明，隨著系統(tǒng)密度的變化，集體行為會經(jīng)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(zhuǎn)變的結(jié)構起源對應于類固區(qū)域的聯(lián)通，以及缺陷引起的粒子重排（圖3）。這些發(fā)現(xiàn)大大地提升了人們對受限條件下手性活性物質(zhì)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(tǒng)出現(xiàn)集體行為的重要性。該成果發(fā)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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