- 研究揭示微小顆粒如何自發成對並保持運動狀態。
- 顆粒之間的相互作用打破牛頓運動定律的對稱性。
- 聚集體不斷分裂和重組，防止靜態結構形成。
- 研究結果可能對可編程材料和微型機器人系統有影響。
日本研究人員揭示了數千個微小顆粒如何自發地成對、移動和重新組織，這一過程打破了牛頓作用與反作用的對稱性。該研究由東京科學大學的兩位教授，博士生須藤裕和博士生吉井貴文進行。為了進行這項研究，他們創建了一個包含超過 10,000 個膠體顆粒的大規模膠體系統，並觀察了其行為超過一小時。在交流電場的影響下，不同大小的顆粒開始不均勻地相互作用。較大的顆粒比小顆粒更強烈地吸引小顆粒，而小顆粒對它們的吸引力則較弱。
這種相互作用使得被動顆粒形成對並在液體中推進。須藤解釋道：「我們的系統提供了一個可實驗控制的非互惠多體物理的例子，在這種情況下，破壞的作用–反作用對稱性引發了集體現象。」
非互惠相互作用的影響
在普通的被動系統中，相互作用是互惠的。根據牛頓運動的第三定律，每一個作用力都有相等且相反的反作用力。簡而言之，當一個物體對另一個物體施加力量時，第二個物體會以相等且相反的力量回應。為了創建一個具有非互惠相互作用的系統，研究團隊將半徑為 1 和 1.5 微米的聚苯乙烯膠體顆粒懸浮在水中，並將其限制在塗有氧化銦錫的透明電極之間。
當研究團隊施加交流電場時，顆粒周圍形成了電流動力學（EHD）流。研究顯示，這些流的強度與顆粒的大小密切相關。較大的顆粒產生的流遠比小顆粒強，這意味著它們的 EHD 媒介吸引力也更強。因此，這種不平衡產生了不同大小顆粒之間的非互惠相互作用。顆粒自發地結合成具有明顯前後的非對稱對。雖然單獨的顆粒無法自行推進，但它們共同運作時則表現為一個自推進的單位。隨著更多對的出現，它們開始組成更大的聚集體。
然而，與傳統的吸引顆粒不同，這些聚集體並不會簡單地繼續增長。研究結果顯示，這些聚集體不斷地分裂、重組並再次形成。自推進的對持續在其內部產生運動，防止了巨型靜態聚合物的形成。研究人員將這種行為與僅含有單一大小顆粒的懸浮液進行比較。在這些系統中，相互作用仍然是互惠的，顆粒逐漸組成靜態晶體結構。數值模擬重現了實驗結果，並表明非互惠對推進是維持異常聚集體動力學的最小機制。
研究的潛在應用
須藤在新聞稿中總結道：「這項研究顯示，破壞作用–反作用對稱性可以成為物質自發形成動態秩序的普遍機制。然而，在這項研究中，我們發現膠體顆粒在電場下表現出意想不到的行為：它們相互吸引但不會形成巨大的團塊，而是聚集後再分裂。」研究團隊表示，類似的非互惠相互作用可能發生在生物系統中，例如細胞羣落和動物羣體。這些發現可能為研究不同系統中集體行為的出現提供框架。與此同時，該機制也可能影響新技術的發展，包括可編程材料和外部控制的微型機器人系統。
該研究已發表在《物理評論快報》期刊上。
微小顆粒運動的新機制及其意義
這項研究揭示了微小顆粒在非互惠相互作用下的自發運動，挑戰了傳統牛頓運動定律的觀點。這種現象不僅具有基礎科學的價值，也可能對未來技術的發展產生深遠影響，例如在可編程材料和微型機器人系統中，這些系統可能利用類似的動態行為來實現更高效的功能。研究結果為理解生物系統中的集體行為提供了新的框架，顯示出物理學與生物學之間的潛在聯繫。