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上海交通大学自然科学研究院最新成果:球面晶体中活性粒子的研究

近期,软物质期刊 ( Soft Matter) 发表了上海交通大学自然科学研究院及物理与天文系特别研究员姚振威完成的题为“Dressed active particles in spherical crystals”的论文(Soft Matter, 12, 7020, 2016), 报道了关于球面晶体中活性粒子的研究。

非平衡凝聚态系统中蕴含着极为丰富的动力学结构。从广泛发生在动物群落,细菌悬浮液,生物细胞集群,活性液晶等非平衡态系统中的集体运动行为到各种软物质系统中涌现出的有序结构,所有这些看似无关的物理系统具有共同的特征,它们都可以被看作是由基本活性粒子组成的。对活性物质的研究,是近年来软物质物理学的一个极为重要的方向。这一方向与仿生学材料设计和理解生物学行为有着紧密的联系。在凝聚态系统有序场中,缺陷不可避免,并且往往能深刻影响系统的物理性质。姚振威特别研究员提出,可以利用活性粒子和缺陷的耦合,来创造出非平凡的动力学状态。由于球面特殊的拓扑性质,缺陷在球面晶体中不可避免。因此,球面晶体为研究活性粒子和缺陷相互作用提供了天然的环境。此项研究的一个重要发现是,活性粒子在晶体中运动时,总是被拓扑缺陷所包围,并留下干净无缺陷的运动轨迹。对大量计算机模拟结果进行分析,最终总结出的这样一种“为缺陷所包裹活性粒子”(dressed active particle)的局域动力学结构适用于刻画活性粒子在各种典型随机运动和弹道运动中的行为,因此具有一定的普适性。进一步研究发现,此物理图像与粒子间相互作用的长程性有关。此项研究中所确立的 dressed active particle 物理图像对理解广泛活性晶体的非平衡态行为有重要启示意义,并且开启了通过引入活性单元来操纵缺陷的可能性,这与相关材料设计有紧密联系。

Abstract: We investigate the dynamics of an active particle in two-dimensional spherical crystals, which provide an ideal environment to illustrate the interplay between active particles and crystallographic defects. A moving active particle is observed to be surrounded by localized topological defects, becoming a dressed active particle. Such a physical picture characterizes both the lattice distortion around the moving particle and the healing of the distorted lattice in its trajectory. We find that the dynamical behaviors of an active particle in both random and ballistic motions uniformly conform to this featured scenario, whether the particle is initially a defect or not. We further observe that the defect pattern around a dressed ballistic active particle randomly oscillates between two well-defined wing-like defect motifs regardless of its speed. The established physical picture of dressed active particles in this work partially deciphers the complexity of the intriguing nonequilibrium behaviors in active crystals, and opens the promising possibility of introducing the activity to engineer defects, which has strong connections with the design of materials.

典型的单个活性粒子在球面晶体中的动力学行为。紫点标识的活性粒子促发球面晶体中预先存在的拓扑缺陷(绿点)演变成能量更低的复合缺陷,而最终远离的活性粒子始终被缺陷包裹,并留下干净无缺陷的运动轨迹。

参考文献: Z. Yao, “Dressed active particles in spherical crystals”, Soft Matter, 12, 7020 (2016)