上海交通大学在活性物质中发现无序超均匀的新颖物态

上海讯    近日，上海交通大学自然科学研究院和物理与天文学院的张何朋课题组发现运动的虫黄藻能自组织形成无序超均匀的新物态，并提出相关理论模型。研究成果在Proceedings of the National Academy of Sciences在线发表，题为“Circular swimming motility and disordered hyperuniform state in an algae system”。

空间密度涨落是描述多体系统的重要物理量之一，它影响系统的结构、热力学和动力学性质。在晶体以及准晶等有序系统中，物质周期性排布，长程密度涨落微弱；而在液体等无序系统中，物质在空间上随机分布、疏密不均，有明显的密度涨落。2003年，美国普林斯顿大学Torquato和 Stillinger提出了介于无序液体和有序晶体之间的一种新的物态，即无序超均匀材料：大尺度上，它们类似于晶体、抑制密度涨落；小尺度上，它们类似于液体、各向同性、没有空间序。这种兼顾晶体和液体的特性使得无序超均匀材料有很多奇特性质，如各向同性的光子带隙等，吸引了来自物理、化学、材料等领域研究人员的关注；而如何制备无序超均匀材料成为研究链条中极为重要的一环。

张何朋课题组利用活性物质中的动态自组织来解决这一难题。他们的实验系统由与珊瑚共生的虫黄藻构成。虫黄藻拥有两条鞭毛，可利用鞭毛的摆动在气液界面上沿着圆周轨迹运动；细胞的游泳行为在液体环境中产生流场，引发虫黄藻之间的长程排斥作用。研究人员发现长程排斥作用可有效抑制大尺度的密度涨落，在不同细胞密度条件下产生无序超均匀态；同时他们还构造了一个基于有效长程排斥作用和随机细胞运动的理论模型，该模型可定量描述实验测量的无序超均匀特性。这项实验和理论紧密结合的工作证明活性物质可通过长程的流体力学相互作用自组织成无序超均匀态，为制备具有新奇功能的无序超均匀材料提供了一个崭新的思路和方法。

本论文的第一作者为博士生黄铭基，通讯作者为张何朋教授，合作者包括博士生杨思远和来自华东师范大学的硕士生胡文思和刘权兴教授。研究工作得到了国家自然科学基金、教育部、上海市科委和教委的基金支持。（张何朋）