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科研进展

2024年06月08日
中国科大在活性物质流变性质研究中取得新进展

日前,中国科大物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心徐宁教授研究组在活性物质流变性质的研究中取得重要进展,相关成果于2024年6月6日在线发表在《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。

能够消耗自身或环境能量而自发运动的物质被统称为活性物质,生物体是活性物质的典型代表。由于活性物质是典型的非平衡体系,大量活性物质个体聚集在一起会呈现出非常丰富且奇特的群集运动行为,是目前软物质、生物物理、统计物理等学科关注的热点。徐宁教授研究组独辟蹊径地从新的视角开展了对活性物质的研究,提出了活性物质群集运动行为和另一个典型的非平衡体系—剪切体系具有相似性的新观点。活性物质和剪切体系能量输入的方式有显著的差别,建立两者之间的关联不是显而易见的事情。该研究组在国际上最早开展了两个体系的比较,得到了两者存在潜在关联的直接证据,相关结果发表在Soft Matter [Soft Matter 14, 853 (2018)、Soft Matter 16, 3642 (2020)]和Science Advances [Sci. Adv. 7,eabg6766 (2021)]上,并且引发了国际上其它研究组对相关问题的关注和研究。

图 A.活性物质与剪切体系存在关联的示意图。其中椭圆“气泡”中展示的是剪切体系,背景是活性物质,每个颗粒的箭头表示活性力的方向和大小。B.活性物质粘度随活性力的变化,插图是剪切体系的粘度随剪切速率的变化,可见两者都有粘度下降的行为。C.在活性力和剪切速率增大的过程中,粘度的下降都伴随着同样的逾渗团簇被打破的过程。其中红色颗粒形成了逾渗团簇,灰色颗粒是未形成团簇的单个颗粒,其它颜色的颗粒形成不同大小的团簇。

在发表于《美国科学院院刊》的工作中,徐宁教授研究组系统比较了活性物质和剪切体系的流变性质,主要针对它们的稀释现象(即粘度随活性力或剪切应力增大而减小的现象)。剪切稀释是复杂流体的一种特殊的流变学行为,有非常广泛的应用,油漆、牙膏等就是典型的剪切稀释液。然而,对于以纯水为代表的牛顿流体,剪切应力的增大并不能改变水的粘度。2015年,Lopez等人实验发现[Phys. Rev. Lett. 115, 028301 (2015)],在牛顿流体中加入大肠杆菌会显著降低溶液的粘度,甚至会造成粘度为零的类“超流”现象,该现象的发现引发了一系列后续的理论解释。徐宁教授研究组发现,活性物质的粘度随活性力的变化与剪切体系的粘度随剪切应力的变化有非常相似的行为,它们的稀释都源于原本形成逾渗的颗粒团簇被打破的微观机理;团簇被打破得越快,粘度下降得越剧烈。对于普通的牛顿流体,剪切作用只能使流体中的分子倾向于沿着剪切流场方向运动,由此形成逾渗团簇并一直维持,因此粘度无法随剪切应力变化。然而,活性物质的加入改变了这一局面。由于活性力的方向可以随机发生偏转,从而赋予了活性物质破坏逾渗团簇的能力,造成溶液粘度的下降。该工作给出了大肠杆菌造成类“超流”现象的可能解释,并且进一步丰富了活性物质和剪切体系存在潜在关联的证据,为非平衡体系的统一描述提供了更多的素材。

合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士生莫若阳是该工作的第一作者,徐宁教授是通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金委的支持。

论文链接:https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2318917121

(物理学院 合肥微尺度物质科学国家研究中心 科研部)

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