日前，中國科大物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心徐寧教授研究組在活性物質流變性質的研究中取得重要進展，相關成果于2024年6月6日在線發表在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。

能夠消耗自身或環境能量而自發運動的物質被統稱為活性物質，生物體是活性物質的典型代表。由于活性物質是典型的非平衡體系，大量活性物質個體聚集在一起會呈現出非常豐富且奇特的群集運動行為，是目前軟物質、生物物理、統計物理等學科關注的熱點。徐寧教授研究組獨辟蹊徑地從新的視角開展了對活性物質的研究，提出了活性物質群集運動行為和另一個典型的非平衡體系—剪切體系具有相似性的新觀點。活性物質和剪切體系能量輸入的方式有顯著的差別，建立兩者之間的關聯不是顯而易見的事情。該研究組在國際上最早開展了兩個體系的比較，得到了兩者存在潛在關聯的直接證據，相關結果發表在Soft Matter [Soft Matter 14, 853 (2018)、Soft Matter 16, 3642 (2020)]和Science Advances [Sci. Adv. 7，eabg6766 (2021)]上，并且引發了國際上其它研究組對相關問題的關注和研究。

圖 A.活性物質與剪切體系存在關聯的示意圖。其中橢圓“氣泡”中展示的是剪切體系，背景是活性物質，每個顆粒的箭頭表示活性力的方向和大小。B.活性物質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簇被打破的過程。其中紅色顆粒形成了逾滲團簇，灰色顆粒是未形成團簇的單個顆粒，其它顏色的顆粒形成不同大小的團簇。

在發表于《美國科學院院刊》的工作中，徐寧教授研究組系統比較了活性物質和剪切體系的流變性質，主要針對它們的稀釋現象（即粘度隨活性力或剪切應力增大而減小的現象）。剪切稀釋是復雜流體的一種特殊的流變學行為，有非常廣泛的應用，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，剪切應力的增大并不能改變水的粘度。2015年，Lopez等人實驗發現[Phys. Rev. Lett. 115, 028301 (2015)]，在牛頓流體中加入大腸桿菌會顯著降低溶液的粘度，甚至會造成粘度為零的類“超流”現象，該現象的發現引發了一系列后續的理論解釋。徐寧教授研究組發現，活性物質的粘度隨活性力的變化與剪切體系的粘度隨剪切應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簇被打破的微觀機理；團簇被打破得越快，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動，由此形成逾滲團簇并一直維持，因此粘度無法隨剪切應力變化。然而，活性物質的加入改變了這一局面。由于活性力的方向可以隨機發生偏轉，從而賦予了活性物質破壞逾滲團簇的能力，造成溶液粘度的下降。該工作給出了大腸桿菌造成類“超流”現象的可能解釋，并且進一步豐富了活性物質和剪切體系存在潛在關聯的證據，為非平衡體系的統一描述提供了更多的素材。

合肥微尺度物質科學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。這項工作得到了國家自然科學基金委的支持。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2318917121

（物理學院 合肥微尺度物質科學國家研究中心 科研部）