创新仪器揭示活性物质中的涡度与集体动力学！

【研究背景】

涡度是流体动力学中的一个重要概念，因其在不可压缩流动中的核心作用而备受关注。涡度的产生与流体流经边界时的相互作用密切相关，广泛应用于流体动力学、工程、环境科学等领域。与传统的流动模式相比，利用悬浮颗粒驱动的涡度生成技术具有推动流动、提高混合效率和实现自我驱动等优点。然而，在实际应用中，流动的不稳定性和颗粒之间的相互作用等问题也给涡度驱动系统带来了新的挑战。

近日，来自纽约大学Michael J. Shelley 以及芝加哥大学 William T. M. Irvine研究课题组的研究团队在涡度驱动的流动研究中取得了新进展。该团队通过激光切割技术设计并制备了近似圆柱形的磁性颗粒，这些颗粒能够在中等雷诺数下被磁力驱动旋转，从而在其周围生成局部的三维涡度区域——涡点。通过调节颗粒的形状和分布，研究人员发现，微小的形状不对称性可以导致涡点的变形，从而使颗粒自我推进。此外，多个涡点之间的相互作用也表现出丰富的动态行为，形成集体运动的群体。

利用这些涡点的集体行为，研究团队成功实现了三维活跃手性流体的构建，显著提高了流体的性能和动态特性。该研究不仅为理解活性物质在复杂流动中的行为提供了新的视角，还为未来在生物医学、微流体技术等领域的应用奠定了基础。这些研究结果展示了涡度驱动的流动在活性材料合成和集体动态研究中的巨大潜力，推动了对非智能系统中三维聚集行为的深入探索。

【仪器解读】

本文通过流体动力学的原理，特别是涡度生成机制，首次研发了基于悬浮粒子的磁驱动旋转仪器，进而表征发现了粒子自我推动和群体行为的现象。具体来说，研究者利用近中雷诺数下的流动特性，观察到单个粒子周围生成的局部涡流（称为涡点）能够驱动相邻粒子的运动。这一创新的仪器平台不仅提供了对流体动力学的新视角，也为合成活性物质的研究提供了新的实验工具，最终揭示了涡点在推动流动和集体动态中的关键作用。

本文针对悬浮粒子群体行为这一现象，通过实验观察和动力学分析，得到了粒子间的相互作用和相应的运动模式，进而挖掘了这些粒子在流动中自我组织形成的活性手性流体。这种流体在不同的外部条件下（如重力和边界效应）表现出不同的集体动态，体现了复杂系统中简单成分如何通过局部相互作用产生全局行为的潜力。

在此基础上，通过高时间分辨率的动态图像采集和动力学模型分析，研究者采用了涡度分析、速度场测量等表征手段，深入研究了粒子间的水动力结合、合并与分裂现象。这些发现不仅丰富了对活性流体和涡流动力学的理解，也为未来探索自驱动系统提供了重要的实验依据。通过对涡点和流动行为的系统研究，本文展现了在流体动力学与活性物质相互作用中的深层次联系，提供了对合成活性物质新领域的深入见解，并为相关研究方向指明了新的发展路径。

旋转颗粒的悬浮液及其涡点自组织成群体

参考文献：Chen, P., Weady, S., Atis, S. et al. Self-propulsion, flocking and chiral active phases from particles spinning at intermediate Reynolds numbers. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02651-5