日前，中國科大物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心徐寧教授研究組在活性物質(zhì)流變性質(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果于2024年6月6日在線發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。
能夠消耗自身或環(huán)境能量而自發(fā)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)被統(tǒng)稱為活性物質(zhì)，生物體是活性物質(zhì)的典型代表。由于活性物質(zhì)是典型的非平衡體系，大量活性物質(zhì)個(gè)體聚集在一起會(huì)呈現(xiàn)出非常豐富且奇特的群集運(yùn)動(dòng)行為，是目前軟物質(zhì)、生物物理、統(tǒng)計(jì)物理等學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)。徐寧教授研究組獨(dú)辟蹊徑地從新的視角開展了對活性物質(zhì)的研究，提出了活性物質(zhì)群集運(yùn)動(dòng)行為和另一個(gè)典型的非平衡體系—剪切體系具有相似性的新觀點(diǎn)?；钚晕镔|(zhì)和剪切體系能量輸入的方式有顯著的差別，建立兩者之間的關(guān)聯(lián)不是顯而易見的事情。該研究組在國際上最早開展了兩個(gè)體系的比較，得到了兩者存在潛在關(guān)聯(lián)的直接證據(jù)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Soft Matter [Soft Matter 14, 853 (2018)、Soft Matter 16, 3642 (2020)]和Science Advances [Sci. Adv. 7，eabg6766 (2021)]上，并且引發(fā)了國際上其它研究組對相關(guān)問題的關(guān)注和研究。
圖 A.活性物質(zhì)與剪切體系存在關(guān)聯(lián)的示意圖。其中橢圓“氣泡”中展示的是剪切體系，背景是活性物質(zhì)，每個(gè)顆粒的箭頭表示活性力的方向和大小。B.活性物質(zhì)粘度
隨活性力
的變化，插圖是剪切體系的粘度隨剪切速率
的變化，可見兩者都有粘度下降的行為。C.在活性力和剪切速率增大的過程中，粘度的下降都伴隨著同樣的逾滲團(tuán)簇被打破的過程。其中紅色顆粒形成了逾滲團(tuán)簇，灰色顆粒是未形成團(tuán)簇的單個(gè)顆粒，其它顏色的顆粒形成不同大小的團(tuán)簇。
在發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》的工作中，徐寧教授研究組系統(tǒng)比較了活性物質(zhì)和剪切體系的流變性質(zhì)，主要針對它們的稀釋現(xiàn)象（即粘度隨活性力或剪切應(yīng)力增大而減小的現(xiàn)象）。剪切稀釋是復(fù)雜流體的一種特殊的流變學(xué)行為，有非常廣泛的應(yīng)用，油漆、牙膏等就是典型的剪切稀釋液。然而，對于以純水為代表的牛頓流體，剪切應(yīng)力的增大并不能改變水的粘度。2015年，Lopez等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[Phys. Rev. Lett. 115, 028301 (2015)]，在牛頓流體中加入大腸桿菌會(huì)顯著降低溶液的粘度，甚至?xí)斐烧扯葹榱愕念悺俺鳌爆F(xiàn)象，該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列后續(xù)的理論解釋。徐寧教授研究組發(fā)現(xiàn)，活性物質(zhì)的粘度隨活性力的變化與剪切體系的粘度隨剪切應(yīng)力的變化有非常相似的行為，它們的稀釋都源于原本形成逾滲的顆粒團(tuán)簇被打破的微觀機(jī)理；團(tuán)簇被打破得越快，粘度下降得越劇烈。對于普通的牛頓流體，剪切作用只能使流體中的分子傾向于沿著剪切流場方向運(yùn)動(dòng)，由此形成逾滲團(tuán)簇并一直維持，因此粘度無法隨剪切應(yīng)力變化。然而，活性物質(zhì)的加入改變了這一局面。由于活性力的方向可以隨機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而賦予了活性物質(zhì)破壞逾滲團(tuán)簇的能力，造成溶液粘度的下降。該工作給出了大腸桿菌造成類“超流”現(xiàn)象的可能解釋，并且進(jìn)一步豐富了活性物質(zhì)和剪切體系存在潛在關(guān)聯(lián)的證據(jù)，為非平衡體系的統(tǒng)一描述提供了更多的素材。
合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士生莫若陽是該工作的第一作者，徐寧教授是通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委的支持。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2318917121
（物理學(xué)院 合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心 科研部）
