中国科大发现活性液晶可编程双行波新机制
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中国科学技术大学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日以“Programmable double traveling waves in living liquid crystals”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
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。
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。
图1.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。这一发现从根本上解释了为何具有对称破缺的图案化设计是实现波动可控的关键。
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”。
基于对机制的深刻理解，研究团队展示了对此类波动的强大控制能力。他们不仅实现了单向、双向甚至多环同向/反向的波动传播，更通过可编程图案化技术，成功书写出“U”“S”“T”“C”等字母形状的细菌行波，展现了该平台在引导和编程复杂活性波动方面的高度灵活性与鲁棒性。
图2. USTC形状的行波
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。多尺度模拟框架的成功建立，不仅为理解活性物质中的非平衡动力学提供了强大工具，也标志着人类在理解与驾驭活性物质动态行为方面迈出关键一步。
中国科学技术大学物理学院硕士研究生吴家琪、刘梦鸽，香港科技大学博士研究生牟泽阳为文章的共同第一作者，彭晨晖教授、蒋景华研究员和香港科技大学的张锐教授、厦门大学游智鸿教授为文章的共同通讯作者。该研究工作获国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及香港研究资助局等项目支持。此工作也得到了中国科大微纳研究与制造中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66572-4
(物理学院、科研部）
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