摘要
集群和渦旋這些關聯狀態的自發湧現，是活性物質中觀察到的集體動力學和自組織的一個主要例證。在幾何約束系統中，全局關聯極化態的形成是通過一個宏觀穩定旋轉渦旋的出現進行，這個渦旋會自發選擇一個順時針或逆時針的全局手性態。這裡，我們發現，一個由膠體粒子形成的全局渦旋會表現出極化態反轉，並且在重新激勵系統時，隨後形成的集體態不是隨機的。我們結合實驗和模擬闡明，流體力學和靜電力的共同作用，如何導致局部粒子位置順序中隱藏的不對稱，反映系統的手性態。這種不對稱性隨後可以用來通過對粒子運動的時間控制，系統地調控活性液體的極化狀態。
研究領域：活性物質，集體運動，自組織
梁金| 作者
鄧一雪| 編輯
論文題目：
Polar state reversal in active fluids
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01442-6
相互作用的自推進粒子或活性物質系綜，會展現出大量顯著的集體現象，在生物系統和人工系統中都得到了廣泛的觀察和研究。許多合成的活性系統是通過有外部能量激勵的粒子系綜來實現。
Nature Physics 最近發表的一項研究中，研究者利用模型來系統演示活性液體中固有的手性態記憶。實驗系統由分散在弱導電液體中的聚苯乙烯球組成，液體夾在兩個玻片之間，由靜態（直流）電場提供能量激勵（圖1a）。在均勻電場的激勵下，粒子以一定速度連續滾動。流體力學和靜電力的共同作用，促進粒子的平移速度方向一致。在粒子數密度低的情況下，粒子運動是隨機的，類似於各向同性氣體的動力學；當被限制在粒子數密度高於一定閾值的阱中時，粒子會自組織成一個穩定的渦旋。渦旋中粒子的軌跡接近圓形，平均切向速度 vt 隨着離中心的距離增加而增加（圖1b）。
只要系統有電流供應，形成的渦旋就能穩定存在，穩定渦旋的典型速度場和渦旋場如圖 1c 所示。渦旋的兩種可能手性態——順時針和逆時針出現的概率相同，在自組織過程中，系統從粒子的初始隨機分布中自發選擇一種手性態。當電場關閉後，粒子在大約 1 ms 量級的時間內靜止，此時粒子似乎是隨機排列，初始的渦旋方向不容易識別。在停止運動超過一定時間後，粒子的位置保持不變，但其速度、極化和驅使朝向一致的力都會被消除。當系統再次被相同的直流電場激勵，粒子最初主要向密度最低的阱中心移動（圖1d），之後在阱中重新分布，形成一個與電流關閉前旋轉方向相反的渦旋（圖1e）。
這裡的電流停止時間非常關鍵。實驗中停止時間在 10 ms～5 min 範圍內，對系統再激活後的渦旋反轉概率沒有顯著影響。如果停止時間少於一個特定值，初始的渦旋不會完全消退，系統再次受到電場激勵時也不會出現渦旋反轉。粒子的不完全退極化和宏觀的流體力學慣性，支持了停止時間過短時旋轉的持續。
手性狀態反轉的這種穩健性表明，由運動粒子形成的活性液體能夠發展對其動態狀態的記憶，並將其存儲在看似隨機的粒子位置排列中。系統通過局部粒子間的位置排列，來存儲關於全局關聯狀態的信息。即使在粒子運動完全停止後，信息仍可以保存很長時間。也就是說，相對較弱的局部排列不對稱性，就足以以高保真度指示全局渦旋運動的方向。
全局手性態反轉的動力學過程涉及多個集群的混沌演化，表明系統中的信息讀取不是瞬時的，而是依賴於大量粒子間的相互作用。然而，渦旋反轉過程是穩健的，因而我們可以通過對電流的時間控制，系統地調控活性液體再次受到激勵後的極化狀態。研究人員認為，通過按需控制湧現狀態的手性，活性液體可以為微觀尺度的流體操縱、輸運、混合提供新的可能性。
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