Non-Equilibrium Interaction Between Catalytic Colloids: Boundary Conditions and Penetration Depth
催化溶质分子$A$和$B$之间的相互转化反应$A \leftrightharpoons B$的球形胶体由于溶质浓度的不均匀场而有效地相互作用，所述溶质分子的浓度在无穷远处保持远离平衡。我们表明，这种长距离的$1/r$相互作用是通过一种机制，表面上令人联想到，但定性非常不同的静电屏蔽：催化活性驱动溶质分子的浓度向其平衡值，并减少化学不平衡，驱动胶体之间的相互作用。施加的非平衡边界条件引起各种几何形状相关的情景;而长距离相互作用被抑制（除了有限的渗透深度），它们可以以准2D几何形状存在，其中胶体而不是溶质被限制在表面，导致形成簇或维格纳晶体，这取决于胶体之间相互作用的符号。
2020-07-20 cond-mat.soft
Diffusiophoretic Self-Propulsion for Partially Catalytic Spherical Colloids
当悬浮在过氧化氢溶液中时，具有部分铂表面涂层的胶体球执行自泳运动。我们提出了一个理论分析，这些粒子的自推进速度使用连续多组分，自扩散电泳模型。以这个模型为基础，我们展示了如何滑层近似可以得出，并在哪些限制，它持有。首先，我们考虑了全多分量模型和滑移层近似之间的差异。利用滑移模型论证和探讨了粒子速度对分子-表面相互作用细节的敏感性。我们发现一个很强的不对称性的依赖胶体的速度作为催化涂层的水平的函数，当有一个不同的溶质和溶剂分子之间的相互作用和惰性和催化部分的胶体，分别。甚至可以通过改变催化涂层的水平来反转运动方向。最后，我们调查的鲁棒性，这些结果相对于在反应速率的催化和惰性部分的颗粒之间的边缘附近的变化。我们的结果是显着的兴趣的解释实验结果的自推进粒子的运动。
2015-02-11 cond-mat.soft
Quantitative measurements of non-equilibrium interactions of catalytic microswimmers with dual colloidal tracers
本文通过高通量跟踪和双示踪粒子方法定量测量了不同形状催化微泳体的非平衡相互作用，发现其强烈依赖几何形状，并证明现有理论模型不适用，为集体行为描述奠定基础。
2024-09-02 cond-mat.soft
Active rotational dynamics of a self-diffusiophoretic colloidal motor
采用连续介质理论和基于粒子的模拟研究了球形化学动力合成胶体马达的动力学，该马达通过自扩散电泳机制运行，并具有任意形状的催化域。当自生的浓度梯度和化学物质与胶体马达表面之间的相互作用打破球对称时，马达执行主动旋转运动。发动机催化表面上的化学反应速率随催化域尺寸和形状的局部变化提供了这种对称性破缺条件。给出了主动旋转运动的连续理论描述，以及主动动力学的基于粒子的模拟结果。从这些结果中，可以给出对主动旋转动力学的因素负责的详细描述。由于积极的旋转运动往往起着重要的作用，在性质的集体动力学的多电机系统，并可用于控制电机运动在有针对性的货物运输，我们的研究结果应该找到超出这里所考虑的应用。
2019-12-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Trapping and Assembly of Living Colloids at Water/Water Interfaces
我们研究了两相水-水系统中胶体的组装，该系统提供了一个可以维持细菌的环境，提供了一种具有丰富潜力的新结构来限制和构建活胶体。通过酪蛋白和黄原胶混合物的相分离形成的水-水体系形成了富含酪蛋白和富含黄原胶的共存相的3-D结构。荧光标记和共聚焦显微镜揭示了这些活胶体，包括大肠杆菌和铜绿假单胞菌，在两相之间的界面处的附着。惰性胶体也被困在界面处，这表明所观察到的附着可以归因于毛细作用。随着时间的推移，这些结构变粗并最终退化，说明了这些系统的动态性质。该系统奠定了基础，为今后的研究的相互作用的物理化学性质的流体界面和散装相和微生物的反应，他们挑起诱导复杂的空间组织，研究物种占据不同的生态位，并优化有效的微生物交叉喂养或保护竞争对手。
2014-12-11 cond-mat.soft
The motion of catalytically active colloids approaching a surface
本研究利用声学镊子将催化活性 Janus 球体从壁面举起，分析其在体相及近壁的运动，发现速度随盐浓度降低主要源于自身推进减弱，并揭示了壁面与颗粒自推进速度间的耦合。
2024-11-18 cond-mat.soft
Living clusters and crystals from low density suspensions of active colloids
最近旨在研究细菌菌落的人工类似物的研究表明，限制在两个维度中的自推进颗粒的低密度悬浮液可以组装成合并和分裂的有限聚集体，但具有保持恒定的典型大小（活簇）。在这封信中，我们解决了在三维空间中形成活性粒子的活性簇和晶体的问题。我们研究两个系统：通过一般吸引势相互作用的自推进颗粒和由于活性剂（例如通过分子马达）而可以朝向彼此移动的胶体。在这两种情况下，流体状的“生命”集群形成。我们解释这个一般特征的积极力量和回归热力学平衡之间的平衡。这种平衡可以用一个无量纲的数字来量化，它允许我们将观察到的聚类行为折叠到一条通用曲线上。我们还讨论了如何积极的运动影响晶体形成的动力学。
2014-02-13 cond-mat.soft
Nanomechanical and topographical imaging of living cells by Atomic Force Microscopy with colloidal probes
原子力显微镜（AFM）作为表征活细胞的机械和形态学性质的工具具有巨大的潜力;鉴于新的早期诊断策略的发展，这些性质已被证明与细胞的命运和病理生理状态相关。虽然一些报告已经描述了实验和技术方法表征细胞弹性的AFM，一个强大的和普遍接受的方法仍然缺乏。在这里，我们表明，微米球形探针（也被称为胶体探针）非常适合进行活细胞的地形和力学分析相结合，与空间分辨率适合于一个完整的和准确的映射细胞的形态和弹性特性，优越的可靠性和准确性在机械测量方面的传统和广泛使用的锋利的AFM提示。我们解决了一些问题，有关的纳米力学分析，包括接触力学模型的适用性和约束接触的几何形状上测得的弹性模量（有限厚度效应）的影响。我们已经测试了我们的协议，通过成像活的PC 12和MDA-MB-231细胞，以证明有限厚度效应的校正的重要性和细胞弹性的变化引起的细胞靶向药物的作用。
2015-02-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Self-assembly of Active Colloidal Molecules with Dynamic Function
具有催化活性的胶体保持非平衡状态，在这种状态下，它们产生和消耗化学品，因此有效地充当分子的源和汇。虽然被对称涂覆的单个胶体不表现出任何形式的动力学活性，但由其化学活性产生的浓度场以$1/r$形式衰减，并根据其表面化学和环境变量产生吸引或排斥其他胶体的梯度。这导致在非平衡离子系统的类似物，但与显着的新功能的作用-反应对称性破缺。我们研究这种化学活性胶体在稀释条件下的溶液，当它们通过广义离子键结合形成分子时，并讨论我们如何实现具有时间依赖性功能的结构。特别是，我们研究了一种分子，采用自发振荡模式的构象，另一种表现出类似于细菌的运行和翻滚动力学。我们的研究表明，催化活性胶体可用于设计自组装结构，这些自组装结构具有由其规定的3D结构决定的动态功能，这是一种遵循蛋白质设计原理的策略。
2015-02-25 cond-mat.soft
Anomalous Diffusion of Symmetric and Asymmetric Active Colloids
随机动力学的胶体颗粒的表面活性-在催化反应或颗粒释放的形式-和自泳效应进行了研究分析。三个不同的时间尺度对应的惯性效应，溶质重新分配，旋转扩散被确定和示出，导致过多的不同制度，涉及惯性，推进，异常和扩散行为。对于对称的活性胶体，发现均方位移具有超扩散$t^{3/2}$行为的区域。在最长的时间尺度上，有效的扩散系数被发现具有非单调依赖于胶体的大小。
2009-04-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Colloidal bubble propulsion mediated through viscous flows
本研究针对气泡驱动催化胶体推进缺乏通用理论的问题，建立了扩散-流体力学联合理论，揭示了气泡生长的分岔机制与流场规律，指出部分实验观测特征源于装置特性而非基本推进物理。
2024-05-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Influence of Bubble Lifetime on the Drying of Catalytically Active Sessile Droplets
Raman Research Institute（拉曼研究所）
研究催化活性Janus液滴在过氧化氢存在下的干燥动力学，探讨气泡诱导的马朗尼流对干燥形态的影响，揭示催化活性对粒子运输的调控作用。
2026-04-09 cond-mat.soft
Hydrodynamics is Needed to Explain Propulsion in Chemophoretic Colloidal Rafts
本文构建由催化粒子与被动微球壳组成的活性胶体筏，证明仅扩散泳动无法解释推进，而需借助 Lorenz 互易定理纳入基底扩散渗透流的流体动力作用。
2023-09-29 cond-mat.soft
Engineering living worms and active crystals with colloidal "feedback-pullers"
本研究通过计算机模拟探讨具有时延反馈的胶体“反馈拉拽者”动力学，发现长延迟可诱导微晶振荡坍缩为密堆积晶格，并在特定环尺寸下自组装成“活体蠕虫”或活性方格晶体等新状态。
2025-04-01 cond-mat.soft
Coupled Interfacial Phenomena Suppress Propulsion in Catalytic Janus Colloids
Case Western Reserve University（凯斯西储大学）
研究探讨了界面耦合现象对催化Janus胶体推进的影响，通过分析帽厚和过氧化氢浓度变化对粒子速度和位移的影响，揭示了活动性、重力效应及流体动力相互作用在确定胶体动态中的作用。
2025-09-28 cond-mat.soft
Interactions in Active Colloids
在过去的二十年里，合成胶体试剂的发展取得了显着的进展，这些试剂能够在无偏的环境中在微尺度上产生定向运动。这些自推进粒子通常因其自组织成动态非平衡结构的巨大潜力而受到称赞，例如生活集群，同步超级转子结构或自推进分子，其复杂性在生活世界之外很少发现。然而，许多这些结构的形成和动力学的确切机制仍然几乎不为人所知，这可能取决于我们对活性胶体如何相互作用的理解。特别是，除了显示出从被动胶体（范德华，静电等）中众所周知的相对短程的相互作用之外，活性胶体显示出新颖的流体动力学相互作用以及电泳和基质介导的“渗透”交叉相互作用，其取决于体系中胶体对其它胶体诱导的电泳场梯度的作用。本文讨论了这些相互作用的复杂性和有趣的性质，这些相互作用通常是长程的，非瞬时的，非成对的和非互惠的，这可能是未来非平衡胶体材料设计的关键成分。除了简要概述我们对这些相互作用的理解的最新进展之外，本文的主要目的是强调开放的关键问题和相应的开放挑战。
2021-10-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active colloids in the context of chemical kinetics
我们研究了一个介观模型的化学活性的胶体颗粒，其表面的某些部分，促进周围的溶液中的化学反应。为了简单和概念清晰的原因，我们专注于的情况下，其中只有电中性的物种存在于溶液中，并在化学反应中描述的一级动力学。在一个自洽的方法，我们明确确定的稳态产品和反应物的数量密度场周围的胶体作为功能的各种分子物种在溶液中的相互作用势与胶体。通过使用Teubner的互等定理，这使我们能够计算和解释-在经典的Smoluchowski化学动力学理论方面的透明方式-保持这种催化活性胶体静止所需的外力（\textit{stall}力），或者等价地，它可以自由移动的胶体\textit{if}的相应速度。我们使用三角形阱相互作用势的特殊情况作为应用这里开发的一般理论框架的基准例子。对于后者的情况下，我们推导出明确的表达式的数量上的化学物种的扩散系数，反应速率常数，催化剂的覆盖率，胶体的大小，以及相互作用势的参数的相关性。这些表达式提供了一个详细的图片与催化活性胶体和自扩散电泳现象。
2017-02-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Anomalous fluctuations in a droplet of chemically active colloids or enzymes
本研究通过布朗动力学模拟探究化学活性胶体或酶聚集形成的活性液滴的动力学，发现其具备从类流体到类固体的多样行为及非高斯位置涨落，为理解生命系统非平衡活动的驱动机制提供了新见解。
2024-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Distinguishing Advective and Powered Motion in Self-Propelled Colloids
具有催化作用的胶体粒子的自驱动运动提供了一个令人信服的活性物质的例子，即远离平衡的单粒子和集体行为的系统。这类系统的长时间、长距离行为特别令人感兴趣，因为它将它们各自的微观行为与宏观现象联系起来。在这类分析中，必须区分由细微的平流效应引起的运动-这种效应也有很长的时间尺度和长度尺度-和由内在动力运动引起的现象。在这里，我们开发了一种方法来分析动力胶体的平移和旋转运动的统计特性，以区分，例如，主动趋化性从被动平流散装流量。
2017-09-17 cond-mat.soft
Phase separation of stable colloidal clusters
本文提出了胶体团簇平均场沉淀、聚集和斑图形成的非平衡热力学理论。一个可变的梯度能量系数和逮捕的粒子扩散后，“堵塞”的集群聚集体在spinodal区域预测可观察到的凝胶图案，在高集群间的吸引力，形成系统跨越，失去平衡的网络与玻璃状，准静态结构松弛。对于反应系统，我们将自由能景观的稳定预成核集群到艾伦-卡恩反应方程。我们发现，斑图形成主要是由Damköhler数和稳定性的集群，修改的自催化沉淀率。随着团簇个别地变得更稳定，体相分离被抑制。
2018-10-16 cond-mat.soft
Self-organized lasers of reconfigurable colloidal assemblies
生物细胞自我组织成独特的混合结构与功能和对环境的反应的生命材料。在人造材料中集成类似生命的特征仍然具有挑战性，但对于制造主动、自适应和自主系统来说是理想的。在这里，我们展示了可编程随机激光器的自组织，从可逆的胶体的非平衡自组装。随机激光起源于光在耗散胶体组装体中经历多次散射的光放大，因此关键取决于它们的自组织行为。在外部光刺激下，这些动态随机激光器是响应的，并呈现连续可调谐的激光阈值。因此，它们可以通过模仿生物体典型的结构和功能之间不断演变的时空关系来重新配置和合作。
2022-01-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.AO
Pairing, waltzing and scattering of chemotactic active colloids
本研究揭示趋化/抗趋化活性胶体对的多种动力学行为及调控机制，分类了束缚态不动点与分岔，为活性胶体系统的动力学研究提供了新见解。
2019-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nonreciprocal collective dynamics in a mixture of phoretic Janus colloids
研究具有不同催化涂层和趋化迁移率的Janus胶体二元混合物，通过粗粒化耦合密度与极化场揭示多种非互易集体不稳定性，并实现Nonreciprocal Cahn-Hilliard模型的微观机制。
2024-02-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Power-law intermittency in the gradient-induced self-propulsion of colloidal swimmers
本文研究了活性胶体微型游动者速度轨迹中的幂律间歇性，提出由场梯度依赖的活性力与局部波动流体动力学阻力相互作用的模型，成功描述了交流电场激活和催化游动者系统，并验证了其普遍适用性。
2023-10-26 cond-mat.soft
Probing the spatiotemporal dynamics of catalytic Janus particles with single-particle tracking and differential dynamic microscopy
我们展示了微分动态显微镜和粒子跟踪的时空行为的表征活性Janus胶体的中间散射函数（ISF）。我们提供了一个分析解决方案的ISF的范例主动布朗粒子模型，并找到惊人的协议与实验结果从最小的长度尺度，其中平移扩散和自推进占主导地位，最大的，探测有效扩散由于旋转布朗运动。在中等长度尺度下，特征振荡解决了定向运动与取向弛豫之间的交叉，并使我们能够区分主动布朗运动与其他重取向过程，例如，翻滚运动理论预测的直接比较可靠地产生粒子的旋转和平移扩散系数，其速度分布的平均值和宽度，以及这些参数的时间演变。
2018-08-21 cond-mat.soft
Light-controlled Assembly of Active Colloidal Molecules
由于恒定的能量输入，活性物质可以自组装成具有复杂结构和功能的相，例如动态形成、重塑和分解的活性簇，这在平衡材料中是被熵最大化（或自由能最小化）原理所禁止的。控制这种主动自组装的挑战引起了广泛的努力，通常取决于单个能动成分的特性的工程。在这里，我们提供了一种不同的途径，只有当单个构建块以我们通过激光控制的方式结合在一起时，活动才会作为一种新兴现象发生。使用实验和模拟两种不动的微球，我们通过创建具有复杂行为阵列的活性分子，成为迁移者，旋转者和旋转者，来验证这条路线。通过光可控的非互易相互作用来控制主动自组装的动力学的可能性将激发理解生命物质和设计活性材料的新方法。
2018-12-22 cond-mat.soft
Phoretic Interactions Generically Induce Dynamic Clusters and Wave Patterns in Active Colloids
本文介绍了一种具有代表性的光相互作用活性胶体的极小模型。结合动力学理论，线性稳定性分析，和自扩散电泳和自热泳Janus胶体的自推进和电泳相互作用之间的一般关系的参数空间塌陷到两个维度：面积分数和Péclet数。当自生电泳场的寿命不是太短时，这种崩溃就会出现，并导致一个通用的相图，显示电泳相互作用{ \it generally}在典型的Janus胶体中诱导斑图形成，即使在非常低的密度下。由此产生的模式包括波和动态聚集体非常类似于在Janus胶体稀悬浮液实验中发现的活簇。
2017-06-05 cond-mat.soft
Buckling of self-assembled colloidal structures
虽然屈曲是实现单一胶体功能化和合成的主要途径，但对由多个胶体组成的胶体结构的屈曲研究仍然很少。在这里，我们调查的最简单的形式的胶体结构，胶体链，是通过临界卡西米尔力自组装的屈曲。我们表明，这样的链的机械不稳定性是惊人的经典欧拉屈曲，但热波动和塑性效应发挥了重要作用。也就是说，我们发现，波动趋于发散接近屈曲的发病和塑性控制的屈曲动力学在大变形。我们的工作提供了深入了解几何，热和塑性相互作用对自组装结构的非线性力学的影响，与复杂和生命物质的流变学和胶体结构的合理设计有关。
2019-01-17 cond-mat.soft
Spontaneous Demixing of Binary Colloidal Flocks
本研究通过自驱动胶体粒子实验与连续体理论，揭示了圆形约束下二元极性液体因速度异质性与非互易排斥作用发生自发分离与自分类，确立了多组分活性系统自组织的一般原理。
2023-11-24 cond-mat.soft
Clusters, asters and collective oscillations in chemotactic colloids
创造模拟生命物质的定义属性的合成系统，如运动性，梯度感应，信号和复制，是仿生学的一个巨大挑战。这些生命的模仿品关键地包含将化学能转化为定向运动的活性成分。这些对能动性的人工实现指向了工程学的一个新范式，即通过在单个组件的尺度上操纵属性来设计涌现行为。催化胶体游泳者是这种系统的一个特别有前途的例子。在这里，我们提出了一个全面的理论描述的梯度感应的个人游泳，可控地趋化或反趋化行为，并使用它来构建一个框架，研究他们的集体行为。我们发现，活性胶体的位置和取向的自由度可以表现出凝聚，集群和星状的信号形成。催化动力学引入了一个自然的控制参数的范围内的相互作用介导的扩散化学物种。对于各种制度的参数空间中的远程限制，我们的系统显示精确的模拟引力坍缩，等离子体振荡和静电屏蔽。我们提出了在制造过程中如何调整胶体的表面性质以实现每种类型的行为的处方。
2014-01-20 cond-mat.soft
Synthetic Quorum Sensing and Absorbing Phase Transitions in Colloidal Active Matter
本研究设计了能响应拥挤调节活性的胶体活性杆，实现合成群体感应，并通过实验、模拟和理论揭示其可导致吸收相变或非典型相分离，为自适应活性物质提供普适见解。
2025-10-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Experimental Observation of Flow Fields Around Active Janus Spheres
采用粒子跟踪测速技术研究了催化活性胶体在自由游动状态和受外力作用保持静止状态下的流体动力学流场。我们的测量结果提供了有关在附近的胶体表面的流体速度的信息，并确认了最近提出的推进机制。除了提供一个统一的理解的非平衡界面输运过程的利害关系，我们的研究结果开辟了一条道路，彻底描述这种活性粒子之间的流体动力学相互作用，并了解他们的集体动力学。
2019-06-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Influence of PEG on the Clustering of Active Janus Colloids
响应于局部环境线索以确定性方式推进的微米级胶体颗粒是自然界中发现的自推进实体的有用类似物。天然和合成的活性胶体系统通常都位于边界附近或拥挤的环境中。在这里，我们描述了实验中，我们测量过氧化氢浓度和分散的聚乙二醇（PEG）的5微米催化活性Janus颗粒在低浓度下的聚集行为的影响。我们发现，集群发生在合奏的活性Janus颗粒的增长与过氧化氢浓度在PEG的情况下的程度。一旦加入PEG，在低PEG体积分数下聚簇略有增强，但在较高PEG体积分数下聚簇减少。在较高的PEG体积分数下，聚类得到缓解的区域对应于先前发现推进被淬灭的区域。基于补充代理的模拟表明，集群增长与名义速度。这些数据支持了这样的假设，即随着推进速度的增加，活晶体的生长得到增强，但是添加PEG将倾向于减轻团簇形成，这是在这些条件下猝灭推进的结果。
2021-01-15 cond-mat.soft
Competing Active and Passive Interactions Drive Amoeba-like Living Crystallites and Ordered Bands
游泳者和自行推进的粒子是细菌群落、鸟群和鱼群等各种生命系统的集体行为和运动的物理模型。这种人工活性材料适合于物理模型，这些模型揭示了集体行为背后的微观机制。在这里，我们研究胶体在直流电场。我们的准二维系统的电驱动粒子表现出丰富的和异国情调的相行为。在低场强下，电流体动力学流导致自组织成具有六方有序的微晶。在自推进的颗粒由于昆克旋转，我们发现一个有序的阶段的活性物质中的运动微晶不断改变形状和相互碰撞。在更高的场强下，它“溶解”成活性气体。我们参数化的颗粒模拟模型再现实验观察到的阶段，并在较高的场强预测活动驱动的分层带状结构。
2019-07-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Quorum sensing of light-activated colloids in nematic liquid crystals
本研究提出一个实验平台，展示分散在向列型液晶中的光激活胶体可通过独特自驱动机制实现运动模式切换与群体感应，进而引发聚集相分离，为利用液晶和胶体特性创造类生命自适应材料提供了新途径。
2025-07-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Tunable colloid trajectories in nematic liquid crystals near wavy walls
从材料科学到生命系统，控制胶体运动的能力是一个重要的挑战。在这里，通过嵌入能量景观在封闭的液晶，我们设计了一个多功能的平台来定义胶体迁移。这是通过在液晶中放置一个波浪壁来实现的，波浪壁具有交替的山丘和井，以施加一个平滑的弹性能量场，具有交替的张开和弯曲变形。该域产生（Meta）稳定的位点，作为吸引子和不稳定的位点，排斥胶体在距离大的胶体半径相比。利用这些位点附近的能量梯度来指示胶体轨迹。我们展示了这种控制的几个方面，通过研究缺陷配置之间的转换，推进粒子沿明确的路径和利用多稳态系统发送粒子到特定的网站内的域。这种定制的景观在可重构系统和微型机器人应用中具有前景
2018-11-06 cond-mat.soft
Self-organization of active colloids mediated by chemical interactions
该研究探究多化学物种反应网络与多胶体物种参与反应的体系中活性胶体的自组织，对比不同反应类型的胶体体系行为，发现引入化学反应网络参数可拓展胶体自组织设计空间，产生丰富非平衡结构。
2024-01-08 cond-mat.soft
Realizing the physics of motile cilia synchronization with driven colloids
纤毛和鞭毛在生物系统中经常表现出大规模的协同行为，如“异时波”中的节拍同步。这些是生物学中涌现动力学的美丽例子，对生命至关重要，允许从真核微生物的运动到营养运输和从哺乳动物气道清除病原体的各种过程。这些集体状态是如何产生的还不完全清楚，但很明显，个别纤毛机械相互作用，以及一个强大的和长期的耦合组件是由粘性流体介导的。在这里，我们回顾了我们自己和其他人的工作，旨在了解流体动力学耦合系统的行为，特别是一组已经获得的实验和理论研究积极驱动的胶体系统的结果。在这些受控场景中，可以选择性地测试活体运动纤毛的各个方面，例如几何布置、驱动轮廓的影响以及到无滑动边界的距离。我们概述并举例说明如何将模型系统与对生命系统的观察联系起来，这些观察可以在微生物、细胞培养物或组织切片上进行。这一研究领域具有明确的长期临床应用，因为严重的病理与人类纤毛功能受损有关。
2015-10-13 cond-mat.soft nlin.AO q-bio.QM
Active colloids in liquid crystals
液晶中的活性胶体（ACLC）是一种活性物质，与当弛豫到平衡态时变为各向同性的活性物质相比，其具有性质上新的行为方面。我们讨论了两类ACLC：（i）外部驱动ACLC，其中胶体颗粒的运动由外部施加的电场提供动力，以及（ii）内部驱动ACLC，由自推进颗粒如细菌形成。液晶（LC）介质在第一种情况下是热致型的，在第二种情况下是溶致型的（水基的）。在没有外场和自推进粒子的情况下，ACLC是不活跃的，平衡LC状态表现出长程取向有序。外部电场使类型（i）的ACLC经历平移、旋转和轨道运动，由诸如LC使能的电动力学、昆克旋转和在LC阶缺陷处的捕获的机制提供动力。一个稠密的Quincke旋转体系统，沿着圆形近晶缺陷轨道运行，当它们的活动增加时，会过渡到集体相干轨道。类型（ii）的内部驱动的ACLC的实例是活的液晶，其代表置于另外的被动溶致发色LC中的游动细菌。LC强烈影响细菌行为的许多方面，最显著的是通过塑造它们的轨迹。随着细菌浓度及其活性的增加，活液晶的取向顺序经历两个阶段的不稳定性：首先，均匀稳定的平衡指向矢被周期性的弯曲变形所取代，然后，在较高的活性下，成对的正向错和负向错成核、分离并在拓扑湍流的动态模式中湮灭。ACLC与其各向同性对应物形成对比。
2015-12-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Emergent vortices in populations of colloidal rollers
相干涡旋运动已经在包括生物体（细菌、鱼类、人类群体）和合成活性物质（摇动的谷物、生物聚合物的混合物）在内的各种种群中得到报道，但是仍然缺乏对这种模式的形成和结构的统一描述。在这里，我们报告的自组织运动的胶体成一个宏观的稳定旋转的漩涡。结合物理实验和数值模拟，我们阐明了这种集体行为。我们表明，出现的旋涡结构的生活在相分离的边缘，并挑选出非常的成分负责这种状态的极性活性物质。在此基础上，我们建立了一个连续统理论，奠定了坚实的基础，描述了一个广泛的一类运动人口的几何边界的限制涡集体运动。
2015-06-26 cond-mat.soft
Topological packing statistics distinguish living and non-living matter
研究提出一种测量3D点云拓扑距离的数学框架，通过Delaunay细分的统计特性区分生命与非生命系统，构建了涵盖多种生物和非生物结构的通用拓扑图谱，实现了对3D无序介质的统一分类。
2022-12-31 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Metamachines of Pluripotent Colloids
机器促成了工业革命，是现代技术进步的核心：机器的部件以预定的方式相互传递力、运动和能量。今天的工程前沿，建造模仿生物有机体的生物机械的人造微型机器，需要在微观尺度上进行忠实的组装和能量消耗。在这里，我们展示了可编程组装的活性粒子到自治元机使用光学模板。元机器是一种稳定的、可移动的、自治的结构，其动力学来源于几何学。我们利用活性胶体的各向异性力产生与局部几何形状控制其取向之间的相互作用。这允许元机器的活性粒子的自主重新编程以实现多种功能。它允许模块化组装的元机器融合，重新配置的元机器，我们预计，自组装的重点转向活性物质和可重新编程的材料。
2021-11-16 cond-mat.soft
Rational design and fabrication of versatile active colloidal molecules
活性胶体，也称为人工微泳者，是自推进的微米和纳米颗粒，其凭借其形状或组成的不对称性将均匀的燃料源（例如化学品）或均匀的外部驱动场（例如磁场或电场）转化为定向运动。这些材料目前因两种主要的最终用途而吸引了大量的科学关注。首先，活性胶体是典型的内部驱动的，不平衡的系统，它们的研究导致了新的新兴材料特性，如群集和活性结晶。其次，它们有望被用作从医疗到环境应用具有巨大潜力的微纳米器件。然而，目前活性胶体的制造在材料、几何形状和运动模式的可编程性方面受到限制。在这里，我们使用顺序毛细作用辅助颗粒组装（sCAPA）将不同材料的微球连接成规定形状的簇（“胶体分子”），其可以由不对称的电流体动力学流动提供动力而主动平移、循环和旋转。几何形状和组成的进一步工程设计提供了在外部触发下切换运动或执行简单拾取和运输任务的活性胶体。我们的制造策略使物理学家和工程师能够设计和创建定制的活性胶体，以探索活性物质中的新基本现象，并研究与未来应用兼容的材料和推进方案。
2017-01-27 cond-mat.soft
Activity-controlled Annealing of Colloidal Monolayers
分子马达是生命的基本要素，它们产生额外的波动，促进运输和协助组装。自我推进的胶体，消耗能量移动，拥有类似的潜力，为人工组装的微粒。然而，缺乏实验表明它们在材料科学中的作用。我们的工作是探索由活性胶体产生的内力控制的人造材料的设计。在这里，我们展示了一个大规模的加速退火的单层被动珠适度添加自推进微粒。我们合理化我们的观察与碰撞模型，驱动主动波动，以克服动力学障碍，激活退火。实验进行了定量比较布朗动力学模拟，进一步揭示了退火机制的动态过渡。活性掺杂剂在系统中均匀地移动或由于其运动的持续性而在晶界处共定位。我们的发现揭示了由内部活动控制的人造材料的潜力，并为材料科学的崛起奠定了基础。
2019-09-16 cond-mat.soft
Active Dipolar Colloids in Three Dimensions: Strings, Sheets, Labyrinthine Textures and Crystals
活性物质表现出令人联想到生命物质和分子流体的惊人行为，并且在微米尺度的药物递送或混合中具有有希望的应用。活性胶体系统提供了重要的模型，简单和可控的相互作用服从理论和计算机模拟。实验工作主要是（准）二维（2D）系统在相对较低的浓度，而较少的是已知的3D情况下，在浓度有关的运动诱导相分离或模仿形态发生。在这里，我们研究了3D实验系统的活性胶体在稠密的悬浮液中的体积分数为0.5。在我们的系统中的粒子是在交流电场下的横向平面中自推进的。此外，该领域诱导电偶极子，和活性和空间和偶极相互作用之间的竞争引起的相行为，从活性气体到动态的结晶相，以及致密的四晶和六方晶体。中间体体积分数的特点是由二维片与大的波动让人想起活性膜。这些活性片在垂直于所施加的场的方向上破坏对称性。此外，电场和粒子动力学之间的关系以一种复杂和意想不到的方式取决于状态图中的位置。
2020-10-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Interfacial aggregation of self-propelled Janus colloids in sessile droplets
封闭系统中的活微生物通常经历对种群边界的亲和力。这种对界面的亲和力的原因可能是它们的定向运动和流体动力学相互作用的组合，其距离大于它们自身的大小。在这里，我们将表明，自推进Janus颗粒（聚苯乙烯颗粒部分涂有铂）浸没在水滴和过氧化氢倾向于积累在附近的液体/气体界面。有趣的是，尽管存在由溶质Marangoni流引起的蒸发驱动流，但界面累积仍会发生，所述溶质Marangoni流通常倾向于在液滴的本体内重新分布颗粒。通过被动胶体（流动示踪剂）进行额外的实验，并与粒子的主动运动和流体流动的数值模拟比较，我们解开观察到的界面粒子积累背后的主导机制。这些结果使我们能够在活跃的Janus粒子和一些生物微泳者之间进行类比，了解它们如何与环境相互作用。
2022-12-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Living Capillary Bridges
本研究通过实验和三维模拟发现，受限细胞聚集体形成活体毛细桥，其稳定性由细胞生长与铺展竞争决定，破裂受板间距控制，并展现出类似颗粒物质的堵塞硬化及分裂增强变薄，提出活性软物质新行为类别。
2025-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active colloidal particles in emulsion droplets: A model system for the cytoplasm
在活细胞中，分子马达产生的活性增强了颗粒在整个细胞质中的扩散，而不仅仅是附着在马达上的颗粒。我们展示了创建模仿这种现象的人工细胞的初步步骤。我们的系统包括主动，Pt涂层Janus粒子和被动示踪剂局限于乳液液滴。我们在过氧化氢溶液中跟踪活性粒子和被动示踪剂的运动，过氧化氢溶液用作驱动运动的燃料。我们首先表明，修正批量平移和旋转运动的气泡形成引起的液滴是必要的，以准确地跟踪粒子。漂移校正后，我们发现，活性粒子在液滴内部的扩散增强，并没有被捕获的液滴界面。在我们使用的粒子和过氧化氢浓度下，我们观察到活性粒子和被动粒子之间几乎没有耦合。我们讨论了缺乏耦合的可能原因，并描述了改善系统以更有效地模拟细胞质活性的方法。
2018-06-14 cond-mat.soft
Run-and-Tumble-Like Motion of Active Colloids in Viscoelastic Media
翻滚运动是许多活微生物采用的一种重要运动策略。它的特点是直线游泳间隔（运行），这是由突然重新定向事件（翻滚）中断。与此相反，方向变化的合成microswimmer（活性粒子，AP）是由旋转扩散，这是叠加与他们的平移运动，从而导致相当连续和缓慢的粒子重新取向。在这里，我们表明，活性粒子也可以进行游泳运动的平移和取向的变化被解开，类似于RNT。在我们的系统中，这种运动是通过粘弹性溶剂和自推进速度的周期性调制来实现的。在实验上，这是使用光激活的Janus胶体实现的，该胶体由随时间变化的激光场照射。我们观察到一个强大的增强有效的平移和旋转运动时的调制时间是可比的粘弹性流体的弛豫时间。我们的发现可以用弹性应力的松弛来解释，弹性应力在自我推进过程中积累，当活动停止时突然释放。除了更好地了解粘弹性环境中的主动运动，我们的研究结果可能会建议在复杂环境中的合成microswimmer新的转向策略。
2017-11-29 cond-mat.soft
Onset of slow dynamics in dense suspensions of active colloids
本研究利用自驱动 Janus 粒子稠密悬浮液发现活性系统具有类似玻璃态的慢动力学特征，且增加活性会加速系统弛豫并提高玻璃化转变密度。
2024-06-25 cond-mat.soft
Self-assembly and time-dependent control of active and passive triblock Janus colloids
本研究通过BD模拟扩展了活性三嵌段Janus胶体在更广密度与温度下的自组装研究，并提出一种活性时间协议，在更宽密度范围内实现了Kagome结构结晶，且结晶边界与早期MC模拟高度吻合。
2025-04-29 cond-mat.soft
Light Activated Self-Propelled Colloids
合成了光活化的自推进胶体，并利用光学显微镜研究了它们的主动运动。我们提出了一个通用的路线，使用不同的光敏材料，并展示了多波长的激活和推进。由于两种半导体材料（αFe2 O3和TiO2）的光电化学性质，能量高于带隙的光会引发过氧化氢的分解反应，并在颗粒周围产生化学云。它诱导与相邻胶体的泳动吸引以及基底上颗粒的渗透自推进。我们使用这些机制来形成胶体货物以及自推进粒子，其中光激活组件嵌入到介电球体中。粒子沿着由热波动随机化的方向自推进，并表现出持续的随机行走。对于足够的表面密度，颗粒自发地形成“活晶体”，其是移动的，分裂和重组。利用外加磁场控制粒子的方向，我们发现致密相的形成是粒子迎面碰撞的结果。这种效应本质上是非平衡的，并且是没有细致平衡的系统的一种新的组织原理。通过不同波长自推进的粒子工程家族展示了对系统背后的物理和化学的良好理解，并指出了设计新的自推进粒子家族的一般路线。
2014-10-27 cond-mat.soft
Optothermal Revolution: Colloids in an Optical Ring Trap
本研究实验发现环形光学照明下胶体二聚体和三聚体在光热相互作用下产生定向旋转，揭示了通过光场强度调控其动力学的机制，为理解生物群体协调运动提供了模型。
2024-09-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.optics
Magnetism, FeS colloids, and Origins of Life
生命系统的一些特征：可逆的相互作用和弱键的动力学基础;凝胶-溶胶转变;细胞连接的分形组织;相互作用和组织的不对称性;量子相干现象;仅举几例，可以通过$physical$相互作用进行自然解释，因此，我们试图通过扩大“纯化学”方法的视野来纳入生命起源。有人建议，从无机世界的矿物的磁性“脸”，公认的在启动生命中发挥了关键作用，可能会抛出这些问题的一些光。在冥古宙海洋中以岩石形式存在的磁性环境可能使超顺磁性胶体能够吸积，从而有序地限制在结构化的相内。适度的H场不仅可以帮助磁性纳米颗粒克服热波动，还可以利用它们。这种受控的动力学带来了访问量子效应的可能性，它与磁有序和滞后（原始记忆的自然机制）的挫折一起可以揭示生物信息的诞生，正如阿贝尔所说，需要有序和复杂性的结合。这种情况下获得的力量，从观察无标度framboidal形式的云英岩矿物，与组装的磁性基础。在罗素和同事的土墩方案中，钙铝榴石的代谢潜力起着关键作用，建议将磁性包括在内。
2010-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph quant-ph
