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科研城邦 · 公众号 · · 2021-03-18 09:36

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在非平衡态物质体系的研究中，有关活性物质自组织的研究快速发展。不同于平衡态物质体系，活性物质有局部的能量输入，包括从单细胞到动物的所有生命体，由分子马达驱动的生物分子，以及人工合成的自驱动物质。近日，由香港中文大学、加州大学和哈佛大学的物理学者组成的团队在这个领域取得了突破：材料的粘弹性可以控制活性流体在空间和时间上的自组织。研究成果在线发表在科学期刊《自然》上，香港中文大学吴艺林教授为论文通讯作者，西安交通大学物理试验班2014届毕业生刘松为文章第一作者。

刘松，2010年从湖北省荆州中学考入西安交通大学，进入物理试验班学习。交大物理系教育重视学生基础课程的学习，授课的教师具有丰富经验和独特风格。物理试验班为学生在科研上积极提供资源，鼓励学生探索发展科研兴趣和进行科研训练。刘松于2012年代表物理系参加全国大学生物理实验竞赛，获得三等奖。得益于交大朴实的学习氛围，热情善良的同学舍友，还有认真负责的老师，刘松顺利完成学业，于2014年秋季到香港中文大学物理系攻读博士学位。

活性物质研究常以自主运动的细菌为模型，探索其在时间和空间上的自组织行为。以往的细菌活性物质的时空自组织，大都借由基因表达和代谢在时空上的相互作用，进而整个细菌体系（具体表现为某一代谢信号而非直接的运动模式）能够表现出大尺度关联行为，并随着时间发生动态演化。在集群运动模式方面，人们熟知的则是细菌活性物质在高细菌密度情形下的自发涡旋。这种自发涡旋可以借由固定的束缚边界而稳定，该涡旋在空间尺度上仅限于几十倍细菌尺寸，在时间尺度上是稳定的。刘松等人的研究工作的新意在于通过加入聚合物来提升细菌运动在空间上的长程关联，该研究中出现的巨型涡旋在空间尺度上可达近千倍细菌尺度。更进一步，通过调控体系的粘弹性能够使巨型涡旋在时间上能够呈现周期性的反转旋转方向，且反转周期受到粘弹性参量的调控。实验中控制细菌活性物质时空自组织的方法是基于细菌的集体运动和流体粘弹性，不需要借由细菌的基因和代谢在时空上的相互作用。

该工作首次在实验上证实材料的流变性质可以用来控制活性物质的自组织。相关结果将促进非平衡物理的发展。微生物在自然界和动物消化道中通常在富含粘弹性高分子的环境中运动。该研究表明，流变力学环境可能影响微生物群落的集体扩散和迁移。

图：(a)细菌活性流体形成的毫米尺度巨型涡旋（相差显微照片）。(b)一个巨型涡旋的瞬时速度场。图a,b的标尺为250微米。(c)巨型涡旋周期性地反转旋转方向（即扭摆式振动）。图中平均涡流（mean vortical flow）取正值时为逆时针方向，取负值时为顺时针方向。(d)巨型涡旋周期性振动过程中角速度ω和转角α的相空间轨迹。

西安交通大学物理学专业2009年首批进入“教育部基础学科拔尖人才培养试验计划”，当年开始招收物理试验班学生，目前累计招收12届学生，总人数超过500人，截止2020年共毕业8届学生共258人。与16所国际一流大学和科研机构签订联合培养协议，毕业生深造率超过92%，全部进入麻省理工学院、哈佛大学、普林斯顿大学、加州大学伯克利分校以及清华、北大、中科大等国内外一流高校或研究机构深造。2018年，教育部拔尖计划十周年评估中，西安交大并列全国第五，2020年，物理学科首批进入“拔尖计划2.0”。物理试验班的人才培养聚焦国家重大需求中的物理问题，形成“理工交融、潜心基础、永攀高峰”的拔尖人才培养特色，同时，构建实践培养体系，开展多样化、多层次的科研训练，为提高学生综合素养和学术创新能力打下坚实的基础。多名毕业生进入诺奖、国际重大科学计划团队，在专业领域崭露头角。8届毕业生先后在Nature、Science、PRL等顶级期刊发表论文50余篇。

来源 | 西安交通大学新闻网

编辑/审核：Andy

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