活性物质是一类由自驱动个体组成的非平衡系统，存在于从宏观到微观的各个尺度，典型例子包括动物群落、细胞组织、微纳米机器、分子马达等。活性物质的组成个体可以通过消耗局域存储的自由能打破细致平衡、实现自驱动运动，同时通过相互作用形成众多的集体行为，比如自发流动、无序—有序相变、运动的拓扑缺陷等。文章聚焦活性物质的集体行为，从理论和实验的角度揭示这些行为的形成机制和非平衡特征，并讨论活性物质研究在生物、数学和工程等学科中的影响和可能应用。撰文

张何朋(上海交通大学物理与天文学院自然科学研究院)、施夏清(苏州大学物理科学与技术学院软凝聚态物理及交叉研究中心)、杨明成(中国科学院物理研究所)来源

本文选自《物理》年第4期1引言自然界中的很多生物表现出了形态各异的集体行为，比如成群迁移的角马、集体飞行的鸟群和结队巡游的鱼类等[1—3]。摄影师DanielBiber在年拍摄到了图1(a)中的照片：成千上万只欧椋鸟高速而同步地飞行，在夕阳下像云彩一样在空中幻化成了一个巨鸟的图案[4]。无独有偶，类似的集体运动也发生在生命世界的极小端：图1(c)中智能和感官能力十分有限的细菌也能借助简单的碰撞和流体力学作用形成有序的运动[5，6]。生命系统之外，物理学家还构造了人造系统探究集体运动的形成机制，比如Dauchot等利用振动的平台驱动厘米尺度的颗粒产生水平运动，颗粒之间的非弹性碰撞使得碰撞后粒子对的相对速度降低，引入速度关联，产生图1(b)中的集体运动[7]。图1(a)集体运动的欧椋鸟自组织成巨鸟图案；(b)驱动的颗粒产生的集体运动，黑色小箭头为颗粒的瞬时速度，颜色代表局域速度的对齐程度(红色表示对齐程度高)[7]；(c)细菌在琼脂表面形成集体运动，箭头表示细菌的运动速度，相邻的同向箭头标为同一种颜色[5]虽然所涉及的个体在空间尺寸、感知能力和驱动方式上有巨大的差异，但是上述系统表现出的集体运动有很多共性，吸引了来自多个领域科学家的注意。近三十年的实验、理论和模型研究表明，众多的集体运动可以通过活性物质的理论框架来理解。活性物质由具有自驱动能力的个体构成，个体(如鸟、细胞、分子机器等)通过消耗自身或环境储备的自由能实现自驱动。这种个体尺度的自驱动在微观层面上打破细致平衡，使得系统形成丰富的非平衡相态；动力学上，自驱动个体之间的相互作用可以将能量从微观尺度输运到宏观尺度，产生多尺度的动力学时空结构。活性物质研究利用和拓展现有的非平衡统计物理理论，探索个体尺度的能量输入转化为宏观尺度有序结构和运动的机制，同时推动生命[8]、医药[9]和工程[10]领域的相关工作。因此，活性物质研究一方面有望回答重要基本理论问题，同时也有众多实际的应用前景，是一个跨学科的前沿研究方向，备受来自物理、生物、化学和工程等领域科学家的

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkyy/8185.html