胶体旋转子的非平衡态动力学研究

In living systems, transducing energy into rotational motion has triggered a variety of fascinating phenomena; examples include the emergence of spatial order in rotating bacterials and the formation of vortex array in planar trapped sperms. This strategy has inspired an ongoing effort in developing inanimate model systems of externally actuated or self-propelled rotators. Theoretical modeling and computer simulations suggest that rotators can display intriguing pattern formation and dynamics, which can be greatly enriched by boundary confinement. Yet, the number of ways to realize rotators remains limited; the very few experimental studies have been carried out over a very constrained range of frequency and density. This project will introduce a new model system of rotators by fabricating in bulk quantities colloidal Janus rods and actuating their rotation by a dynamic magnetic field. Through systematically investigating the spatial organization and dynamics of this system over a broad range of phase space, we aim to understand the fundamental physics on how rotation, hydrodynamics and spatial confinement affect the non-equilibrium behaviors of active matter. This knowledge will be of central importance for understanding phenomena emerged in living systems and constructing smart and responsive colloidal materials.

生命体系呈现了许多由能量转化成旋转运动而触发的奇妙现象，例如旋转细菌所呈现的有序排列和受限精子旋涡阵列的形成。这些现象激起了发展外场制动或自驱动的非生命旋转子体系的强烈兴趣。理论与计算机模拟表明旋转子展现着非常有趣的图案形成与非平衡态动力学；而边界受限会更加丰富体系的行为。然而，实现旋转子的实验方法很少，目前针对旋转子的实验研究局限在较小的浓度与频率范围内。通过高产量制备Janus胶体棒和动态磁场驱动旋转的方式，本项目拟发展一个新旋转子体系。进而，我们将在广泛的相空间内系统地研究旋转子的空间组织及动力学行为。本项目旨在揭示旋转、流体动力学以及与空间受限影响活性物质行为的物理本质。该知识对于认知生物现象甚至生命的本质、制备新型智敏胶体材料具有重要指导意义。

在个体尺度将能量转化成旋转运动进而触发奇妙的集群行为在生命体系较为常见。由转子组成的体系也被成为手性活性物质，作为流体可呈现奇粘度、与边界作用涌现出拓扑保护的边界流等奇异现象。发展外场致动或自驱动的仿生旋转胶体体系尤为重要，不仅为验证理论与计算机模拟结果提供了实验平台，也为制备新型智敏胶体材料具有重要指导意义。在本项目中，我们通过宏量制备Janus胶体棒和动态磁场驱动旋转的方式，发展了新的转子系。我们总结了单个胶体棒受磁场频率及强度影响的状态图，并揭示了一对转子的动力学行为由彼此产生的流场主导。转子体系呈现异常的扩散动力学行为，且随转子浓度非单调变化。作为流体， 我们观测到了活性湍流及奇粘度等奇异现象。在圆形受限中， 我们观测到了边界流；在环形跑道受限中，我们进而观测到了由流体动力学引起的相分离现象。此项目揭示了旋转、流体动力学以及与空间受限影响对手性活性物质空间组织及动力学行为的影响，增进了对手性活性物质的理解与认识。此外，我们发展了多个胶体合成方法，设计了多个化学驱动活性胶体，为进一步设计转子体系，丰富动力学行为奠定了基础。