Nature Physics 速递：活性液体中的极化态反转

摘要

集群和涡旋这些关联状态的自发涌现，是活性物质中观察到的集体动力学和自组织的一个主要例证。在几何约束系统中，全局关联极化态的形成是通过一个宏观稳定旋转涡旋的出现进行，这个涡旋会自发选择一个顺时针或逆时针的全局手性态。这里，我们发现，一个由胶体粒子形成的全局涡旋会表现出极化态反转，并且在重新激励系统时，随后形成的集体态不是随机的。我们结合实验和模拟阐明，流体力学和静电力的共同作用，如何导致局部粒子位置顺序中隐藏的不对称，反映系统的手性态。这种不对称性随后可以用来通过对粒子运动的时间控制，系统地调控活性液体的极化状态。

Spontaneous emergence of correlated states such as flocks and vortices is a prime example of collective dynamics and self-organization observed in active matter. In geometrically confined systems, the formation of globally correlated polar states proceeds through the emergence of a macroscopic steadily rotating vortex, which spontaneously selects a clockwise or counterclockwise global chiral state. Here, we reveal that a global vortex formed by colloidal rollers exhibits polar state reversal and that a subsequent formation of the collective states upon re-energizing the system is not random. We combine experiments and simulations to elucidate how a combination of hydrodynamic and electrostatic interactions leads to hidden asymmetries in the local particle positional order, reflecting the chiral state of the system. These asymmetries can be exploited to systematically command subsequent polar states of active liquids through temporal control of the activity.

研究领域：活性物质，集体运动，自组织

梁金 | 作者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Polar state reversal in active fluids

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01442-6

相互作用的自推进粒子或活性物质系综，会展现出大量显著的集体现象，在生物系统和人工系统中都得到了广泛的观察和研究。许多合成的活性系统是通过有外部能量激励的粒子系综来实现。

Nature Physics 最近发表的一项研究中，研究者利用模型来系统演示活性液体中固有的手性态记忆。实验系统由分散在弱导电液体中的聚苯乙烯球组成，液体夹在两个玻片之间，由静态（直流）电场提供能量激励（图1a）。在均匀电场的激励下，粒子以一定速度连续滚动。流体力学和静电力的共同作用，促进粒子的平移速度方向一致。在粒子数密度低的情况下，粒子运动是随机的，类似于各向同性气体的动力学；当被限制在粒子数密度高于一定阈值的阱中时，粒子会自组织成一个稳定的涡旋。涡旋中粒子的轨迹接近圆形，平均切向速度 vt 随着离中心的距离增加而增加（图1b）。

图1. （a）实验装置示意图。红色和蓝色斑点表示粒子周围诱导产生的正电荷和负电荷。粒子在电场和流体的共同作用下，以角速度 Ω 旋转，导致沿表面的平移速度 v。上方表示粒子轨迹。（b) 涡旋中粒子的平均切向速度 vt 随着离中心的距离 r 增加而增加。

（c-e）旋涡反转过程。(c) 稳定的初始涡旋，顺时针旋转。（d）系统重新受到电场激励，粒子最初主要向密度最低的阱中心移动。（e）演化形成的稳定漩涡，逆时针旋转。蓝色和红色的带箭头圆圈说明了手性的反转。

只要系统有电流供应，形成的涡旋就能稳定存在，稳定涡旋的典型速度场和涡旋场如图 1c 所示。涡旋的两种可能手性态——顺时针和逆时针出现的概率相同，在自组织过程中，系统从粒子的初始随机分布中自发选择一种手性态。当电场关闭后，粒子在大约 1 ms 量级的时间内静止，此时粒子似乎是随机排列，初始的涡旋方向不容易识别。在停止运动超过一定时间后，粒子的位置保持不变，但其速度、极化和驱使朝向一致的力都会被消除。当系统再次被相同的直流电场激励，粒子最初主要向密度最低的阱中心移动（图1d），之后在阱中重新分布，形成一个与电流关闭前旋转方向相反的涡旋（图1e）。

这里的电流停止时间非常关键。实验中停止时间在 10 ms～5 min 范围内，对系统再激活后的涡旋反转概率没有显著影响。如果停止时间少于一个特定值，初始的涡旋不会完全消退，系统再次受到电场激励时也不会出现涡旋反转。粒子的不完全退极化和宏观的流体力学惯性，支持了停止时间过短时旋转的持续。

手性状态反转的这种稳健性表明，由运动粒子形成的活性液体能够发展对其动态状态的记忆，并将其存储在看似随机的粒子位置排列中。系统通过局部粒子间的位置排列，来存储关于全局关联状态的信息。即使在粒子运动完全停止后，信息仍可以保存很长时间。也就是说，相对较弱的局部排列不对称性，就足以以高保真度指示全局涡旋运动的方向。

全局手性态反转的动力学过程涉及多个集群的混沌演化，表明系统中的信息读取不是瞬时的，而是依赖于大量粒子间的相互作用。然而，涡旋反转过程是稳健的，因而我们可以通过对电流的时间控制，系统地调控活性液体再次受到激励后的极化状态。研究人员认为，通过按需控制涌现状态的手性，活性液体可以为微观尺度的流体操纵、输运、混合提供新的可能性。

复杂科学最新论文

集智斑图顶刊论文速递栏目上线以来，持续收录来自Nature、Science等顶刊的最新论文，追踪复杂系统、网络科学、计算社会科学等领域的前沿进展。现在正式推出订阅功能，每周通过微信服务号「集智斑图」推送论文信息。扫描下方二维码即可一键订阅：