小编： 来自华沙大学，苏黎世联邦理工学院和剑桥大学的物理系的研究人员合成并分析了在流体中自我推进的活性微粒，并根据照明光的波长反转其推进方向
来自华沙大学，苏黎世联邦理工学院和剑桥大学的物理系的研究人员合成并分析了在流体中自我推进的活性微粒，并根据照明光的波长反转其推进方向。最近在《自然通讯》上发表了一篇总结他们工作的研究文章。
活性物质包括具有自推进元素的系统，这些元素从环境中吸收能量并将其转化为动能。目前，这是一门活跃的物理学学科，涉及许多时间和长度尺度，涉及例如禽群中鸟类的行为(例如star鸟的杂音)，鱼类群(作为对天敌的一种保护)，以及生物膜和其他水上微游泳器中的细菌。它不仅关注单个元素的行为，而且还了解它们对能量的转换，相互作用和与环境的相互作用的机制，这些元素对生存至关重要，还涉及大批人群的集体影响和新现象的出现。可以从简单的最小粗粒度模型开始，以不同的精度级别成功地描述这两种模型，
细菌，藻类，精子，纤毛虫和其他单细胞生物是活跃游泳者的重要群体。由于其巨大的多样性，生物学的复杂性以及对外部条件的高度敏感性，探索其动力学的物理基础通常会变得很复杂。然而，水生微观世界受流体动力学的普遍规律支配，这限制了所有生物。
由于它们的尺寸很小(通常为微米)，并且游泳速度不超过每秒几十个体长，因此，围绕它们的流动主要受粘性作用的影响。这意味着鲨鱼或奥林匹克游泳者的游泳策略在微观竞赛中完全失败。大尺度游泳是基于惯性并将水快速向后推。在微观尺度上，惯性作用可以忽略不计，水的表现就像粘性很高的液体，例如蜂蜜或金色糖浆。想象一下，在一个充满蜂蜜的游泳池里游泳爬行的行程会很累，而且效率很低。因此，游泳微生物已经基于利用粘度设计了其他的推进策略。细菌通常带有螺旋鞭毛，它们像开瓶器一样用来“拧入”液体。事实证明，在粘性微观世界中，这种策略可以有效地进行运动。较大的生物，例如纤毛虫(以及草履虫)，其身体覆盖着成千上万的纤毛，类似于细小的头发。他们以协调的方式移动它们，类似于在体育场举行的墨西哥浪潮。这使得流体可以沿着细胞表面，结果细胞沿与睫状波传播相反的方向推进。
对这些机制的了解激发了合成微游泳器新领域的发展。由于在诊断，医学和技术领域的潜在广泛应用，例如在患者体内向目标药物输送，在实验室中设计微型机器人的愿景已使研究人员兴奋了许多年。从这个角度来看，不仅要设计这样的游泳者，而且要控制他们的运动至关重要。
该机制还用于多细胞生物中，例如人肺中的纤毛，而生殖道对于粘液的运输至关重要。它利用扩散泳的现象启发了许多游泳者。为了对其进行解释，请考虑一个Janus粒子的示例，该粒子受罗马神有两张面孔的启发。一个典型的实现是一个球形微粒，其中一个半球被金覆盖，另一个半球被铂覆盖。放在过氧化氢(H 2 O 2)，铂侧催化过氧化物分解为水和氧气。结果，该反应的产物在铂半球上的浓度增加，并且浓度不平衡产生沿表面的流动。类似于游泳纤毛，流体沿表面的运动导致细胞沿相反方向运动。因此，系统将其周围环境的化学能转化为自身的动能。该机制是通用的，关键成分是表面上试剂浓度的不均匀。而且，化学梯度可以由温度或静电势的不平衡代替。所有这些机制在显微镜系统中已通过实验证实。值得注意的是，这些合成游泳者的典型大小和游泳速度可与他们的生物学灵感相媲美。因此，通过探索人造活性物质，科学家们对游泳的微观世界有了更多的了解。
已经提出了许多推进机制并且可用于合成活性物质。挑战仍然是控制游泳者的运动，或对其进行编程，使其可以到达预定位置，例如将药物输送到身体的选定部位。或者，可以通过外部刺激来控制它，例如电磁辐射，电场或磁场，声波或温度不均匀。
华沙大学，苏黎世联邦理工学院和剑桥大学的研究人员最近在《自然通讯》上发表了他们的新论文，朝着这个方向迈出了一步。它演示了新颖的，经过修饰的Janus粒子，它们在外部照明的影响下在流体中移动，其运动方向取决于入射光的波长。直径3.5微米的颗粒是由锐钛矿(一种二氧化钛的多晶型物)制成的，一个半球镀有金。当用绿色可见光照射时，粒子朝着金帽移动，而当暴露在紫外线下时，它们会反转运动方向。这些粒子是由苏黎世联邦理工学院的Hanumantha Rao Vutukuri博士和Jan Vermant教授合成的，所有实验工作均在此进行。
华沙大学物理系的Maciej Lisicki博士说：“通过改变光的波长，我们激活了粒子表面上不同的催化机制，从而可以以受控的方式快速控制运动。”非常有趣的集体动力学：粒子可以相互吸引或排斥，这取决于它们的相对方向和照明光的颜色。对此进行调整，我们观察到了融合和裂变的快速过程，我们可以对其进行控制。”
在这种系统中对运动的描述要求既考虑粒子的化学相互作用，也要考虑它们在表面上产生的试剂浓度场的不均匀性，以及由于它们的存在而引起的流体动力学流动。Maciej Lisicki博士(华沙)和Eric Lauga教授(剑桥)构建了可以描述这些新型活性粒子动力学的理论模型。
Maciej Lisicki说：“在微米尺寸下，我们认为颗粒周围的流体非常粘稠。” “因此，它们的水动力相互作用范围很广。每个粒子的运动都能被其他所有粒子感知。”
长期以来，研究人员一直致力于将扩散电泳应用于人工游泳运动员的合成和微型抽水，他们认为，这种新颖，可逆且可控的Janus粒子自推进机制是迈向更复杂的微型机器人的一步最终将能够在蜂窝规模上运输货物。它也可以用于通过在活性颗粒的悬浮液以及悬浮在流体中的活性和无源胶体的混合物中进行局部光诱导搅拌来控制微观尺度的集体运动。
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