对科学覆盖的研究揭示了活动物质系统的集体动力学

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——成群的欧椋鸟在天空中产生令人眼花缭乱的图案是活跃物质的自然例子——成群的个体个体聚集在一起创造集体动态。在3月6日出版的《科学》杂志封面上刊登的一项研究中，包括布朗大学物理学家在内的一组研究人员揭示了活跃物质系统内部发生的新现象。

本研究使用三维向列相描述实验。向列相描述的是在智能手机和电视显示器中广泛使用的液晶中出现的物质状态。液晶中的雪茄状分子可以像在液体中一样移动，但倾向于保持或多或少相同方向的有序，有点像晶体。

在正常的液晶中，分子是被动的，这意味着它们没有自我推进的能力。但是这项新研究的系统用微小的微管束取代了这些被动分子，每个微管束都有消耗燃料和驱动自身的能力。本研究的目的是研究这些活性元素如何影响系统的秩序。

“这些微管往往会对齐，但也会随着它们的移动而不断破坏它们自己的对齐顺序，”该研究的合著者、加州大学默塞德分校(University of California, Merced)物理学助理教授丹尼尔·贝勒(Daniel Beller)说，他在布朗大学(Brown)做博士后研究员时就开始了这项研究。“因此，集体运动造成了对齐的缺陷，这就是我们在这里研究的。”

随着系统的发展，在某种意义上，缺陷开始显现，创建了蜿蜒穿过系统的线条、循环和其他结构。研究人员使用拓扑学研究这些结构，拓扑学是数学的一个分支，研究物体如何在不断裂的情况下变形。

“如果你的目标是了解这些系统的动力学，那么其中一种方法就是关注这些新兴的拓扑结构，作为一种描述动力学的方式，”布朗大学(Brown)物理学教授、该研究的合著者罗伯特·佩尔科维斯(Robert Pelcovits)说。“如果我们能从这个简单的系统中获得指导原则，那可能会帮助我们理解更复杂的系统。”

贝勒、佩尔科维特和布朗大学工程和物理学教授托马斯·鲍尔斯(Thomas Powers)领导了这项研究的理论工作。这项实验工作是由布兰迪斯大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员进行的。来自马克斯·普朗克动力学和自组织研究所、芝加哥大学、布兰代斯和艾恩德霍芬技术大学的研究人员贡献了计算机建模的专业知识。

这种工作已经在二维系统中完成，但这是第一次用这种方法研究三维系统。研究表明，该系统的主导拓扑结构是自发形成、扩展和自灭的环结构。

研究人员说，这些回路与在研究得更好的2D系统中出现的各种缺陷有关，但它们在一个关键方面有所不同。在2D中，缺陷出现在具有相反特征或“电荷”的成对点上，有点像粒子和反粒子。一旦它们形成，它们就会存在，直到它们最终遇到带相反电荷的缺陷，导致它们湮灭。

相比之下，在3D中形成的回路是不带电荷的。结果，它们自己形成并消灭一切。然而，它们仍然与2D缺陷结构相关。实际上，3D循环可以看作是2D点缺陷的扩展。假设两个点缺陷位于二维平面上。现在，将这两个点与一个从2D表面升起的弧线连接起来，并在该表面的底面上连接第二个弧线。结果是一个循环，两个点都带电荷，但本身是中性的。使成核和湮灭成为可能。

研究人员希望，这种对该系统动力学的新理解将适用于真实世界的系统，如人类体内的菌落、结构和系统，或其他系统。

贝勒说:“我们在这里发现的是一组相当普遍的行为，我们认为这些行为将完全出现在类似的系统中，这些系统有对齐的趋势，但同时也将储存的能量转化为运动。”

该研究得到了能源部(DE-SC0010432TDD)、国家科学基金会(NSF-DMR-1855914、nsf – mrsec1420382、cbet1437195、MCB090163、mrsec1420382)、陆军研究办公室(W911NF-19-1-0268)和国家卫生研究院(5R00HD088708-05)的支持。