Pattern Formation in Chemically Interacting Active Rotors with Self-Propulsion
我们证明了在化学信号粒子，如自趋化{ \it E。coli}靠近墙壁，基于非线性但确定性的不稳定性机制为斑图形成创建路径。对于缓慢的旋转，我们发现一个短暂的持久性的统一状态，然后突然形成集群偶然锁定的平均推进方向的趋化性。这些团簇变粗，这导致相分离成致密区和稀区。更快的旋转阻止相位分离，导致具有同步旋转平移运动的转子的全局行波。我们的研究结果阐明了两个通用范例在活性物质，趋化性和主动旋转的竞争所产生的物理，并表明，后者提供了一种工具来设计可编程的自组装的活性物质，例如控制粗化。
2016-05-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.PS
Robust boundary flow in chiral active fluid
我们在一个封闭边界的自旋转子主动手征流体系统上进行了实验。沿着边界，主动旋转的转子共同驱动单向材料流。我们系统地改变转子密度和边界形状;边界流在所有条件下都出现。流动强度最初随转子密度（用面积分数$ϕ$量化）增加，然后减小;峰值强度出现在密度$ϕ=0.65$附近。边界曲率起着重要的作用：在相同的约束条件下，凹边界附近的流动比平边界或凸边界附近的流动更强。我们的实验结果在所有情况下，可以再现的连续理论与单一的自由拟合参数，它描述了摩擦性质的边界。我们的研究结果支持的想法，在积极的手性流体的边界流拓扑保护，这种强大的流动可以用来开发新的功能材料。
2019-10-31 cond-mat.soft
Synchronization and Collective Dynamics in a Carpet of Microfluidic Rotors
我们研究了一个由流体动力相互作用耦合的基片上的转子阵列的同步。由有效刚体建模的转子由内部扭矩驱动并对周围流体施加主动力。转子之间的流体动力相互作用的长程性质导致了丰富的动力学行为模式，包括相序和湍流螺旋波。该模型提供了一个新的例子耦合振荡器与远程相互作用。我们的研究结果建议的策略，设计可控的微流体混合器使用的流体动力学耦合的活性成分的紧急行为。
2010-04-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Odd viscosity in chiral active fluids
手性活性流体是由自旋转转子组成的材料，其在微尺度上连续注入能量和角动量。具有主动转子成分的不平衡流体已经通过使用纳米级生物分子马达、微米级活性胶体或宏观级驱动的手性颗粒在实验上实现。在这里，我们将展示如何这样的手性活性流体打破宇称和时间反演对称性在其稳定状态，从而产生一个无耗散的线性响应系数称为奇粘度在其本构关系。奇粘度耦合压力和涡度，导致例如涡廓线内的密度调制。此外，手性活性流体在横向于所施加的压缩的方向上流动，如在冲击传播实验中。我们设想，这种集体的横向响应可以被利用来设计自组装的液压曲柄，该曲柄在由主动转子流体提供动力的微型机器中在线性运动和旋转运动之间转换。
2017-02-08 cond-mat.soft
Spin and velocity correlations in a confined two-dimensional fluid of disk-shaped active rotors
研究了受限二维主动转子（盘）的速度自相关特性。我们报告持续的小尺度振荡的旋转和平移速度自相关，其特征频率随着旋转活动的增加而增加。虽然这些小振荡在所有实验中都是定性相似的，但我们发现，在强粒子旋转活动下，大尺度粒子自旋波动趋于消失，在这种情况下，围绕零的小振荡持续存在，并且自旋在较长时间内保持主导和强反相关。然而，对于较弱的旋转活动，自旋波动变得越来越大，并且角速度在较长时间内保持去相关。我们详细讨论了自相关振荡是如何与旋转活动，以及为什么这个功能是一般的一个信号的出现在一个颗粒系统的动力学的手性。
2023-02-28 cond-mat.soft
Active spinners drive passive matter into chiral rotors
Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；University of Twente（特温特大学）
本研究通过实验和模拟证明，纯旋转的磁性主动旋转器可将角动量注入被动胶体，使其形成手性转子团簇并产生边缘流，从而为被动物质赋予手性功能。
2026-10-01 cond-mat.soft
Active micromachines: Microfluidics powered by mesoscale turbulence
密集的活性物质，从细菌悬浮液和由马达蛋白驱动的微管束到细胞单层和合成Janus颗粒，其特征在于中尺度湍流，混沌流结构的出现。通过将有序的对称转子阵列浸入到活性流体中，我们引入了一种微流控系统，该系统利用介观湍流中的自发对称性破缺来做功。转子的晶格自组织成自旋状态，其中相邻的盘由于流体动力学和弹性效应的组合而在永久交替的方向上连续旋转。我们的虚拟样机展示了一个新的研究方向的微机械设计提供动力的主动湍流的线虫流体动力学特性。
2016-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Colloidal Clusters as models for chiral active micromotors
本文提出用化学交联的Janus胶体团簇制备可调手性与轨道半径的活性转子，并揭示方位角均匀性与旋转动力学的关系，为研究合成手性转子集体行为提供了新平台。
2024-07-21 cond-mat.soft
Collective dynamics in a binary mixture of hydrodynamically coupled micro-rotors
我们研究，数值计算，考虑一个单层的球驱动恒定的顺时针或逆时针扭矩的自转非对齐粒子的集体动力学。我们发现，水动力相互作用改变了出现的大规模的动力学模式相比，在干系统中观察到的。在稀悬浮液中，由转子搅拌的流动引起相反自旋转子的聚集，而在较高密度下，相同自旋转子相分离。在临界转子密度以上，动态六方晶体形成。我们的研究结果强调了包括多体，长程流体动力学相互作用在预测活性颗粒的相行为的重要性。
2016-03-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Emergent turbulence and coarsening arrest in active-spinner fluids
本文在二维反向旋转旋转子系统中发现活性驱动从相分离到湍流态的转变，通过主动转子Cahn-Hilliard-Navier-Stokes模型证明涡量与旋转状态标量场成正比，并刻画了能量谱、间歇性及拓扑统计，揭示其生物学意义。
2025-03-12 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Dynamic self-assembly of microscale rotors and swimmers
生物系统通常涉及基本成分的自组装成复杂的功能结构。模拟这种过程的人工系统可以提供一个良好的控制环境，以探索所涉及的原理，并合成有用的微机器。我们的实验表明，不动的，但积极的，组件自组装成两种类型的结构，表现出运动的基本形式：平移和旋转。具体来说，微米级金属棒被设计成在化学燃料存在的情况下诱导可延伸的表面流动;这些棒彼此相互作用并配对以形成游泳者或转子。这样的对可以在这两种构型之间可逆地转变，导致使人想起细菌奔跑和翻滚运动的动力学。
2015-12-02 cond-mat.soft
Materializing split, mixed, and three-body interactions using rotor-based mechanical hysterons
St. Olaf College（圣奥拉夫学院）；Syracuse University（雪城大学）
研究如何利用基于转子的机械磁滞体扩展相互作用普遍性，通过分裂相互作用强度、构建非互易混合符号相互作用及纳入可调谐三体效应，在简单可复制平台实现并合理解释，扩展了基于机械输入计算的设计结构行为空间。
2026-07-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Hydrodynamic spin-orbit coupling in asynchronous optically driven micro-rotors
本研究开发了一种非光镊式圆偏振光束系统，可同时异步旋转数百个胶体粒子并使其自由扩散，揭示了低雷诺数流体中普适的流体动力学自旋-轨道耦合机制。
2023-03-20 cond-mat.soft
Dynamics and Efficiency of Brownian Rotors
布朗转子在生物系统和未来的纳米技术应用中发挥着重要作用。然而，决定其动态、效率和业绩的机制仍有待确定。在这里，F-ATP合酶的F0部分被认为是布朗转子的范例。在一个通用的分析模型中，我们分析了随机旋转的F0类电机作为一个功能的驱动自由能差和自由能档案的转子受到。后者由转子与周围环境的相互作用、化学转变的自由能和工作负荷组成。转子的动力学和机械效率取决于其随机运动的自由能能量差和整流的反应扩散path. We分析的自由能配置文件提供最大流量和如何安排在底层的反应扩散路径影响整流和-通过这个-效率的大小。
2008-11-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Active Colloidal Molecules
就像普通分子是由原子组成一样，胶体分子是由几种胶体颗粒紧密结合在一起组成的。如果其中一个组件是自我推进或游泳，新的“活性胶体分子”出现。活性胶体分子存在于各种水平上，如“同质”、“异质”和“聚合”，并具有动力学功能，如螺旋桨、旋转器或转子。近年来，这类活性复合物的自组装研究已取得了很大进展，本文综述了近年来的研究进展，并对这一迅速发展的活性胶体分子领域的未来发展进行了展望。
2018-03-26 cond-mat.soft
Stability and Spatial Autocorrelations of Suspensions of Microswimmers with Heterogeneous Spin
活跃微粒的流体动力学相互作用在我们星球的流体环境中是普遍存在的。因此，了解这些自推进粒子的相互作用对科学和工程至关重要。在本文中，悬浮液的主动游泳者转子颗粒已被数学建模，通过扩展先前开发的随机动力学理论来分析多个自旋速度种群的microswimmer和microrotors的异质集合。本文使用这种建模方法来获得大规模的性能，如悬浮液的不稳定性和空间相关性的活性颗粒的见解，并突出了活性颗粒的旋转对悬浮液的行为的作用。本研究将着眼于分析解释斑图形成的结果观察到的自推进微粒使用数值和实验室实验。
2022-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Defects Superdiffusion and Unbinding in a 2D XY Model of Self-Driven Rotors
我们考虑二维（2D）XY模型的非平衡扩展，相当于具有短程耦合的同步的嘈杂的仓本模型，其中位于正方形晶格上的转子由随机固有频率自驱动。我们研究了拓扑缺陷（涡旋）的静态和动态特性，并建立了自旋转如何影响Berezenskiiii-Kosterlitz-无相变的情况。非平衡驱动器将2D XY模型的准长程有序相打破为大小可控的有序域的马赛克，并导致在任何温度下一般不结合的自推进涡旋，其特征在于具有高斯位移分布的超扩散$\langle r^2(t)\rangle\sim t^{3/2}$。我们的工作为研究活性物质中的拓扑缺陷提供了一个简单的框架，并为研究局域耦合振子的同步问题提供了新的思路。
2021-03-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Fast crystallization of rotating membrane proteins
我们研究了在膜中移动的积极旋转蛋白质之间的相互作用。实验证据表明，这种转子蛋白，如线粒体内膜的ATP酶，可以将自己排列成晶格。我们表明，结晶是可能的，通过结合流体动力学和排斥转子蛋白质之间的相互作用。特别是，流体动力学相互作用诱导转子蛋白质组装体的旋转运动，在排斥的存在下，驱动系统进入六边形晶格。整个晶体以一定的角速度旋转，该角速度随着电机密度的增加而增加，并随着晶格直径的减小-更大和更稀疏的阵列以更慢的速度旋转。旋转的相互作用允许蛋白质的合奏样品的配置，并达到一个有序的稳定状态，这是不可访问的淬火非旋转系统。因此，旋转相互作用就像是一种消除无序的温度，除了实际的热扩散会导致膨胀和无序的丧失。相反，旋转相互作用在空间中是有界的。因此，一旦达到有序状态，它将始终保持。
2019-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Active Motion of Janus Particle by Self-thermophoresis in Defocused Laser Beam
研究了半金属包覆胶体粒子在激光辐照下的自推进。该运动是由自热泳引起的：即，在颗粒的金属涂覆侧处的激光吸收产生局部温度梯度，该局部温度梯度又通过热泳驱动颗粒。为了阐明其机理，首次测量了微尺度Janus粒子周围的温度分布和热滑移流场。通过测量粒子上的温度下降，自推进的速度与基于可访问参数的预测相吻合。作为驱动微型机械的一种应用，介绍了一种微型转子热机。
2010-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Degenerate states, emergent dynamics and fluid mixing by magnetic rotors
研究了悬浮在粘性流体中的磁转子在均匀旋转磁场作用下的集体运动。转子被定位在一个正方形网格，并假设低雷诺流体动力学。对于一个$3 \times 3$阵列的磁铁，我们观察到三个特征的动力学模式作为外部磁场强度是不同的：同步模式，振荡模式，和棋盘图案。这些的相对稳定性取决于由于外部磁场的能量和转子之间的磁偶极-偶极相互作用的能量之间的竞争。我们认为，棋盘图案可以被理解为交替的稳定性的两个简并状态，其特征在于条纹和自旋冰配置，作为所施加的磁场旋转。对于较大的阵列，我们观察到传播的滑移波，是类似的异时波。转子阵列具有作为微流体装置的潜力，可以混合流体并产生不同大小的涡流。
2020-03-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Periodic and chaotic orbits of plane-confined micro-rotors in creeping flows
我们从理论上探讨了浸没在粘性流体中的旋转球体的复杂动力学和涌现行为。粒子通过悬浮在其中的流体相互耦合：每个粒子都用小转子场干扰周围的流体，并且流体流动影响其他粒子的运动。我们注意到复杂的周期性或混沌轨迹的出现，取决于转子的初始位置和分离。平面内的点转子运动与经典的二维点涡动力学有相似之处。我们的分析突出了几个转子之间相互作用的复杂性，并建议在更密集的人群中更丰富的行为。我们讨论了该模型如何深入了解更复杂的复杂系统，并提出了可能的扩展，为今后的理论研究。
2015-03-05 cond-mat.soft math.DS nlin.CD
Hyperuniformity and phase enrichment in vortex and rotor assemblies
在二维流体中旋转的粒子群可以表现出混乱的动力学，但也会产生隐藏秩序的特征。这种“转子”在自然界中被发现跨越了巨大不同的长度尺度--从细胞膜中的转子蛋白到大气动力学的模型。在这里，我们表明，无论是理想的涡流在无粘流体中，或驱动转子的粘性膜，自发自组装的初始随机分布。尽管这些系统产生于截然不同的物理学，但它们都具有一个哈密顿结构，该结构设置了导致不同结构状态的几何守恒定律。我们发现，旋转不变的相互作用各向同性抑制长波长波动-无序超均匀材料的一个标志。随着面积分数的增加，系统有序化为六方晶格。在两个同向旋转粒子群的混合物中，较强的粒子群将从另一个粒子群获得有序，并且两者都将变得相位富集。最后，我们表明，经典的2D点涡系统出现的实验访问微观膜转子的精确限制，产生一个新的系统，通过它来研究拓扑缺陷。
2021-02-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Controlling active self-assembly through broken particle symmetries
已知传统被动材料的许多结构特性是由其微观成分的对称性引起的。相比之下，细胞形状和自我推进之间的相互作用如何控制活性物质的宏观和微观行为，在很大程度上还不清楚。在这里，我们分析了大规模的模拟同质和异质自推进粒子系统，以确定集体运动的粒子对称性破缺的一般影响。我们发现，即使是很小的违反前后对称性导致根本不同的集体行为，这可能有助于分层的不同形状的物种，以及自发形成稳定的微转子。这些结果表明，颗粒形状的变化产生强大的物理机制来控制活性物质的自组装，可能对生物学和材料设计的深远影响。
2013-06-04 cond-mat.soft
Generic Conditions for Hydrodynamic Synchronization
主动振荡的细胞器如纤毛和鞭毛的同步促进细胞的自推进和在低雷诺数环境中泵送流体。为了理解背后的关键机制引起的流体动力相互作用的同步，我们研究了一个模型的刚体转子的驱动力下，是任意函数的相位的任意形状的固定轨迹。对于广泛的一类几何形状，我们得到了一对转子同步的充分必要条件。我们还发现了一种新的同步模式与时间相关的相移。我们的研究结果揭示了流体动力学相互作用在生物系统中的作用，并有助于在微流体装置中开发有效的混合和传输策略。
2010-11-04 cond-mat.soft nlin.AO
Self-assembly of micro-machining systems powered by Janus micro-motors
本研究展示Janus胶体可在微转子周围自组装形成有序构型，最大化扭矩以实现自主旋转，从而构建无需外部动力的自驱动微加工系统。
2017-07-12 cond-mat.soft
Large scale zigzag pattern emerging from circulating active shakers
本研究发现可逆驱动的磁转子（主动振动体）会集体形成带拓扑缺陷的大规模之字形动态结构，结合实验与模拟证实振动体的特殊流场是该图案形成的唯一要素，揭示了取向运动冻结的受驱粒子在粘弹性介质中的自组织新机制。
2024-02-01 cond-mat.soft
Nonmonotonic Magnetic Friction from Collective Rotor Dynamics
University of Konstanz（康斯坦茨大学）；Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Universität Innsbruck（因斯布鲁克大学）
研究揭示磁驱动构型动力学可导致非单调摩擦现象，通过分子动力学模拟和简化模型证实集体磁重构是能量耗散的主要因素，为无接触摩擦控制和磁传感提供新途径。
2026-02-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
