施夏清教授关于手性无序活性物质体系方向序脆弱易失性的合作研究工作以封面文章形式发表于Physical Review Letters

    在2021123日,Physical Review Letters以封面文章形式[见图一]报道了施夏清及其合作者法国原子能委员会Bruno Ventejou博士及Hugues Chaté教授,巴西伯南布哥州联邦农业大学Raul Montagne教授的合作研究工作,题为“Susceptibility of Orientationally Ordered Active Matter to Chirality Disorder” [PRL 127, 238001 (2021)]。该工作深刻揭示了手性无序对活性物质取向序统计性质在热力学极限下的影响,指出取向有序的活性物质体系对于手性无序极其脆弱敏感的特性。

图一:2021123PRL封面:手性无序活性物质中涌现的活性泡沫,颜色代表不同运动方向的粒子。

      所谓手性无序在活性物质体系广泛存在。任何迁移的细菌,胶体颗粒都不可能是完美对称的。微弱的不对称性,必然导致粒子在迁移过程中方向发生结构决定的确定性的偏转。比如日常生活中,人在非常平坦广阔的空间行走时,如果没有标记物,由于身体特别是两腿微弱的不对称性也会发生不自觉的大尺度的转圈行为。

最近对于空间淬火无序的一系列研究表明,二维取向有序的活性物质体系的长程有序性非常容易受到界面杂质的影响。任意微弱的杂质都有可能破坏有序态的空间长程关联。一个自然的问题是,当活性物质体系的个体具有固定的手性无序时,体系的取向序能否保持稳定。系统的有序态是否能够抗拒群体中个体差异导致的手性无序其实一直并没有得到解决。之前的工作猜测系统可以承受一定的手性无序,但都基于非常有限的系统尺寸,并没有试图分析热力学极限下的行为。

最近发表的这项研究工作中,研究人员全面的研究了两种具有一定长程有序性的活性物质体系对于个体手性差异的响应。通过基于有限尺寸标度行为分析和相关动理学方程以及流体动力学稳定性分析都表明,均匀有序体系,无论是极化有序还是向列型取向有序,在热力学极限下不能承受任意微弱的手性无序。然而一些具有空间结构的相共存态或者在一些有限的小系统中体系可以抗拒有限的手性无序。同时,系统在应对手性无序时,通过长波失稳过程,在非线性区间可以激发出各种形态的空间结构【见图二】。

图二:均匀有序态在手性无序作用下失稳,并激发出各种空间结构,包括条带,涡旋阵列,旋转粒子堆以及泡沫结构。

这一结论与二维Kuramoto模型中局域随机耦合振子无法实现相同步有一定的关联性。因此在高维空间去研究这类体系对于手性无序的抗拒作用是非常有趣的课题,至少Kuramoto模型认为系统可以在高维空间容忍一点的随机耦合作用。活性物质手性无序体系在二维情况下的这种敏感脆弱性,导致实验上要验证纯极化体系中的长程序行为变得十分困难。因为我们很难大量制备微米级别以上不存在任何微弱不对称性的自驱动粒子。

该工作获得国家自然科学基金委重点项目,优秀青年基金及面上项目的支持。


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