科学家发现活跃粒子中的意外行为

一项新的研究深入探讨了推进速度随方向变化的活性粒子的行为。他们发现，这些粒子会形成非圆形的粒子群，并有持续不断的粒子流进入和流出。这项研究对潜在的粒子组装控制意义重大，对创造可编程物质和医疗技术的进步也有影响。

研究人员在由粒子组成的系统中发现了以前未知的物理效应，这些粒子的推进速度取决于它们的运动方向。

以自推进粒子（即活性粒子）为重点的研究领域正在迅速扩大。在大多数理论模型中，这些粒子被假定保持恒定的游动速度。然而，这一假设对于许多实验产生的粒子来说并不成立，例如医疗应用中由超声波推动的粒子，它们的推进速度随方向而变化。

由明斯特大学的拉斐尔-维特科夫斯基（Raphael Wittkowski）教授和剑桥大学的迈克尔-科特斯（Michael Cates）教授领导的物理学家团队开展了一项合作研究，探索这种与方向相关的速度如何影响粒子系统的行为，尤其是在形成团簇的过程中。

他们将计算机模拟与理论分析相结合，揭示了具有取向相关速度的活性粒子系统的新效应。研究成果最近发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

从物理学的角度来看，有趣的是，由许多活性粒子组成的系统可以自发地形成簇群--即使单个粒子之间根本没有相互吸引。在测量模拟粒子的运动时，研究人员发现了一个特别令人惊讶的结果。

第一作者、明斯特大学理论物理研究所的斯蒂芬-布罗克（Stephan Bröker）博士解释说："通常情况下，从统计平均值来看，这种粒子簇中的粒子只是停留在原地。出于这个原因，我们曾预计这里的情况也会如此。但事实上，物理学家们发现了另外一种情况：粒子不断地从粒子簇的一侧移出，又从另一侧移回，从而产生了一种永久性的粒子流。"

与"正常"情况还有另一个不同之处：在活性粒子系统中形成的粒子簇通常是圆形的。然而，在所研究的粒子中，粒子团的形状取决于粒子的方向对其推进速度的影响程度--这可以由实验者来规定。

共同第一作者延斯-比克曼（Jens Bickmann）博士解释说："至少从理论上讲，我们可以让粒子排列成我们想要的任何形状。"

"可以说，我们可以用它们作画"。在模拟中，研究人员观察到了椭圆形、三角形和正方形。"维特科夫斯基团队的迈克尔-特弗鲁格特博士也是这项研究的共同作者之一。对于技术应用--例如，实现可编程物质，必须能够控制粒子自我组装的方式--而我们的方法确实可以做到这一点。"

背景： 生物学中有大量活性粒子的例子，例如游动的细菌或飞翔的鸟类。如今，也有可能实现人工活性粒子（纳米和微型机器人）：例如，目的之一就是将它们植入人体，以便有针对性地运送药物。