中国科大发现活性液晶可编程双行波新机制

大皖新闻讯 12月1日，大皖新闻记者从中国科学技术大学获悉，该校物理学院彭晨晖教授、蒋景华研究员团队与香港科技大学、厦门大学合作，在“活性液晶”体系中发现了一种独特的“双行波”现象，通过实验、理论与模拟相结合解析了其形成的物理机制，并进一步对其进行精准编程与控制。此项研究为智能活性材料与微纳机器人的设计提供了全新路径。相关研究成果于11月27日发表于《自然·通讯》。

活性物质是由自驱动单元组成的非平衡系统，其内部常出现复杂的行波模式，然而如何有效控制这些波动一直是该领域的核心挑战。研究团队将游动细菌与溶致液晶相结合，构建出“活性液晶”这一体系，在其中细菌作为活性单元，液晶则提供结构导向的被动环境。记者了解到，研究团队通过光图案化技术预先设计液晶分子的排列，诱导细菌在特定区域聚集并形成定向流动。当细菌浓度超过临界值时，原本稳定的细菌流发生失稳，产生波动，并沿预设路径传播，形成“活性行波”。更为重要的是，这些细菌波进一步扰动周围液晶，诱发出一个紧随其后的被动“液晶行波”，两者以恒定相位差协同前进，构成“双行波”体系。

细菌与液晶行波的产生

为深入解析双行波的形成机制，研究团队构建了多尺度理论模型，结合基于个体的细菌粒子模型与液晶连续介质模型，通过数值模拟完整再现了实验现象。在细菌粒子模型中，每个细菌被描述为具有位置和方向的活性单元。模型揭示了细菌与液晶相互作用的微观机制：细菌受到一个关键扭矩的作用，驱使它们趋向于与局部液晶指向矢方向对齐，这是液晶环境对细菌运动的关键反馈。

实验与理论模拟共同揭示，细菌行波的产生源于系统在结构与相互作用层面的“宇称-时间对称性破缺”。预先设计的图案打破了空间对称性，使得细菌与液晶之间的反馈作用产生净驱动力，推动波前定向传播。模拟结果清晰地显示，在具有对称破缺的展曲图案中，液晶指向矢对细菌流施加的扭矩在波的不同区域产生不对称的响应，从而产生净驱动力，驱动细菌波单向传播。相比之下，在均匀排列的液晶中，虽然细菌流也会产生波动，但由于相互作用对称，净驱动力为零，只能形成驻波而非行波。

不仅如此，记者了解到研究团队进一步解析了主动细菌-被动液晶双行波形成的物理机制。在液晶连续介质模型中，研究团队采用流体动力学方程描述向列相液晶的动力学演化。模型特别引入了活性应力张量，直接将细菌的浓度场和取向场与液晶的流体动力学耦合起来，这是活性系统区别于被动系统的核心特征。在细菌波传输的过程中，其对被动的液晶分子产生吸引作用，由于表面锚定，细菌同时也被液晶分子吸引，最终细菌波和液晶波形成固定的相位差同时向前传输，形成“双行波”。

该研究首次在实验和理论上系统揭示了活性液晶中活性-被动耦合波动的协同传播机制，并实现了其程序化操控。

大皖新闻记者 魏鑫鑫 （图片来自中国科大）