活性物質是由自驅動單元所組成的一類重要非平衡體系，普遍地存在于自然界之中，包括從納米尺度的馬達蛋白，到微米尺度的細菌，再到宏觀尺度的鳥群等。活性物質由于在單粒子層面破缺了時間反演對稱性，是以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實體的重要研究方向，也是2021年Nobel實體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實體化學效應實作了人造活性物質，例如最為常見的自擴散泳活性膠體（微米顆粒通過催化反應所産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了解群體智能的湧現、設計先進材料與微納機器人具有重要意義，也有望在非平衡實體、生物醫學等領域實作重大突破。
最近，中國科學院實體研究所/北京凝聚态實體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，聯合實體所葉方富團隊、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甯課題組，以活性顆粒體系為模型，結合理論，模拟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，這對微生物擷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。為了實作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别産生反向的推進力，并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争可導緻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)。
光不僅可以導緻活性粒子的趨光運動，也能改變粒子間的有效互相作用。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，進而通過擴散泳效應影響近鄰粒子的運動軌迹，可表現出長程的吸引或排斥作用（依賴粒子屬性）。此項工作基于光誘導的有效吸引作用，實作了對活性膠體叢集的幾何形貌及位置的動态調控（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）活性膠體叢集的動态光操控。
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态的，以至于能對外界刺激做出快速且智能的響應（如鳥群）。這樣的動态叢集行為，微觀上起源于活性單體之間可以彼此通訊，進而自适應地調節自身活性。一個有趣的問題是：人造活性膠體是否能夠湧現出類似的“智能”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産物互為對方的“食物”或反應促進劑，進而十分巧妙地實作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），進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确實具有類似于鳥群形貌極其動态的叢集行為（圖2右）。該活性體系甚至展現出一定表觀上的“群體智能”：可感覺系統邊界的曲率，并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能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，活性粒子也可以經曆自驅動轉動。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，我們并不清楚拓撲邊緣流是否具有類似的功能。為了實作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，進而跟随邊緣流定向運動。此項研究證明了在奇粘度增強的耗盡力作用下，貨物能夠穩定地位于系統邊界，魯棒地沿着邊界單向運動，不受障礙物的影響（圖3中）。并且，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)。
圖3：（左）活性轉子的自發拓撲邊緣流，（中）非活性貨物的魯棒邊界輸運，（右）貨物貼邊駐留時間及輸運速度與轉子活性的關系。
以上工作得到了國家自然科學基金委、中科院B類先導專項的資助。
文章連結:
Angew. Chem. Int. Ed. 60, 16674 (2021).pdf
Nature Nanotechnology 16, 288 (2021).pdf
PNAS 118, e2104481118 (2021).pdf
PRL 126, 198001 (2021).pdf
編輯：樂子超人