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加州大学圣芭芭拉分校新闻

控制活性流体的混乱

concept illustration of an active nematic fluid

加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学家与密歇根大学(UM)和芝加哥大学(UChicago)的同事一起开发了设计规则,利用拓扑缺陷来控制活性流体中自维持的混沌流动。该框架目前是作为理论模型开发的,为具有可调流量的自动力流体的工程提供了一条途径。

“我们可以在一个缺陷的水平上或在许多缺陷的水平上做到这一点,这提供了另一种控制流动动力学的方法,”UCSB理论物理学家Cristina Marchetti说,他是发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文的资深作者。根据这篇论文,这项工作“建立了一个加法框架,以雕刻流动和操纵空间和时间上的主动缺陷,为设计用于运输、记忆和逻辑的可编程有源和有生命材料铺平了道路。

一般来说,活性物质因其组成部分的能力而令人着迷——无论是运动蛋白、细菌、合成微游泳者还是人类——共同表现得像一种失衡的材料。一个熟悉的例子是一群椋鸟一起移动,像流体一样在天空中弯曲和折叠。实验室开发的活性流体同样由单个分子级单位组成,这些单位与鸟类一样,消耗能量并将其转化为运动。通过相互作用,它们组织成一致行动的新兴结构。

这项研究的研究人员,包括UCSB Kavli理论物理研究所(KITP)的理论家Mark Bowick,UM的主要作者Suraj Shankar和UCSB创意学院的Luca Scharrer

研究物理学的校友,现在是芝加哥大学的研究生,专注于由生物分子蛋白质和细丝制成的活性流体。 在这种被称为活性向列液晶的流体中,棒状丝状蛋白倾向于彼此对齐——即“向列”部分。“活性”部分来自这些排列的细丝对周围环境施加力、泵送流体和驱动大规模流动的能力。

“这种活性液晶是一种连续流动的流体,没有任何外部施加的力或压差,”Marchetti补充道,这要归功于所谓的“运动蛋白”的局部化学反应,这些反应产生了运动的能量。

 然而,这些流动本质上是混沌的,漩涡和漩涡不断扭曲细丝的局部排列。这会在杆状细丝的规则排列中产生图案,具有类似于指纹中的脊的强烈扭曲。这些扭曲的结构由几何和拓扑决定,因此被贴上了“拓扑缺陷”的标签。这些缺陷反过来又会影响它们周围其他杆的方向和运动,以及由此产生的流动。

在无源液晶中通常观察到缺陷。“在活动情况下,观察到一个全新的特征,”Bowick补充道。“缺陷变得自走,就像在流体周围漫游的微型发动机一样。当扰动是局部的时,它们会移动并不断搅动整个流体。

但是,这些“微型引擎”不是错误,而是可以用作允许通过控制缺陷运动来控制活动流的功能。主动缺陷的控制确实是实验研究的热门话题,并开发了各种策略来影响其产生和动态。然而,到目前为止,还缺少一个用于处理缺陷的系统量化和设计框架。

“在我们的工作中,我们制定了设计规则,这些规则规定了如何通过我们所谓的’拓扑镊子’创建、移动甚至相互编织特定的缺陷结构图案。”“博威克说。这是通过“设计空间和时间上的’活动’模式”来实现的,Marchetti解释说,即“通过控制化学反应驱动流体泵送的区域的结构和范围”。

这种空间变异性可以通过光响应运动蛋白和细丝在实验中实现。它允许科学家从根本上抓住单个缺陷并移动它们来设计与之相关的流程。研究人员还展示了简单的活动模式如何控制大量不断驱动湍流的漩涡缺陷。

该研究的主要部分是在Scharrer还是UCSB的本科生时进行的。这证明了本科生研究的影响,以及像Sathya Guruswamy这样的教师顾问在将有前途的本科生与合适的研究小组相匹配方面发挥的关键作用。

这项工作还处于早期阶段,但科学家们可以看到一系列潜在的应用和影响,从生物过程到软机器人和基于流体的逻辑设备。“我们的工作表明如何通过操纵活性缺陷来控制这些过程,”Bowick说。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://news.ucsb.edu/2024/021486/controlling-chaos-active-fluids