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活性浴中的“熵力”、噪聲和能均分研究獲進展

2020-05-29 物理研究所
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  活性物質指的是由自驅動單元所組成的一類重要的軟物質體系,它的范圍涵蓋從微觀尺度的細胞骨架、細菌溶液,到宏觀尺度的鳥群、魚群等。由于固有的非平衡特性,活性物質經常展現出反常且有趣的物理現象,并為設計智能材料與器件提供了新思路。此外,活性物質也能夠作為活性浴顯著地影響位于其中的非活性粒子的結構與動力學行為。目前該領域的一個重要研究熱點是考察平衡熱浴中的基本物理概念和物理關系在活性浴中的有效性及推廣。近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質實驗室SM8組的博士后劉鵬和博士生葉思敏在副研究員楊明成、研究員陳科、葉方富的指導下,系統地研究了熵力、噪聲和能均分這些熱浴中的基本物理概念在活性浴中的適用性。

  在平衡態下,熵力(也稱耗盡力)是指在由大量小粒子組成的熱浴中,懸浮的大顆粒之間的一種有效吸引作用。大顆粒的彼此靠近雖然壓縮了其位形空間,卻更多地增加了小粒子的位形空間,因此增大了系統總熵。熱浴中熵力既可以由自由運動大顆粒的對關聯函數確定,又可以通過固定大顆粒的方案進行測量。也就是說平衡態熵力不依賴粒子所受到的外界約束。與此類似,熱浴中懸浮粒子所經歷的噪聲為白噪聲,其特性無關于外界約束;懸浮粒子所遵守的能均分關系亦與約束強度無關。這些外界約束無關性是平衡態統計物理的基本結果。但是,在活性浴中上述的約束無關性是否成立并不清楚,進而甚至如何正確地測量活性“熵力”(耗盡力)也是不清楚的。

  該研究組首先提出了正確測量活性耗盡力的方法,并利用計算機模擬和實驗直接確定了兩個膠體粒子之間的活性耗盡力(圖1)。同時該研究發現:膠體粒子間的有效力敏感地依賴于其受到的外界約束(圖2和圖3(b));無論自由粒子的對關聯函數(圖3(a))還是固定粒子方案都不能給出正確的活性耗盡力。這一成果近期發表在PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 158001 (2020)上。該研究組進一步利用理論與模擬研究了活性浴中膠體粒子所遭受的噪聲特性,發現活性噪聲是一種彩色噪聲,并敏感地依賴于非活性膠體粒子所受到的外界約束,與熱噪聲情形完全不同。圖4展示了活性噪聲強度DA和關聯時間τ與約束強度的相關性。這一成果近期發表在SOFT MATTER DOI: 10.1039/D0SM00006J (2020)上。此外,該研究組也測量了細菌溶液中非活性膠體粒子在光鑷下的勢能,發現平均勢能也依賴于膠體粒子所受的約束程度,這顯著地不同于平衡態的能均分關系。相關工作近期發表在CHINESE PHYSICS B 29, 058201 (2020)上。從微觀上看,無論膠體粒子的活性有效力、噪聲,還是它在光井中的平均勢能,其約束依賴性都起源于膠體粒子的弛豫動力學對活性粒子分布及其碰撞強度的影響。這些研究工作表明,活性浴中的物理概念比熱浴中的復雜得多,不能用平衡態的方法進行處理。

  上述工作得到國家自然科學基金委(11874397, 11874395, 11674365, 11774393, 11774394)、科技部 (2015CB856800)、K. C. Wong教育基金,以及中科院前沿科學重點項目(QYZDB-SSW-SYS003)的支持。

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圖1. 活性耗盡力的模擬系統(a)和實驗系統(b)示意圖。

圖2. 模擬(a)和實驗(b)分別展示了在多種約束強度下,活性有效力隨膠體粒子間距的變化。

圖3. (a) 從對關聯函數g(r)得到的有效力與模擬直接測得的有效力有明顯偏差;(b)通過摩擦系數調節的動力學約束,極大地影響活性耗盡力。

圖4. 在不同約束強度下,通過非活性示蹤粒子在活性浴中的均方位移 (a),提取出的活性噪聲強度DA及活性噪聲關聯時間τ(b)。

打印 責任編輯:葉瑞優
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