Fingering Instability of Active Nematic Droplets
从有丝分裂纺锤体到组织和生物膜，许多生物系统表现为活跃的液滴，它们经常打破对称性并自发地改变形状。在这里，我表明，积极的微滴可以经历一个指法不稳定性。我认为一个活跃的流体，通过锚定在液滴界面，获得双秩序，我预测其形态稳定性的三个无量纲参数：锚定角，双秩序的渗透长度相比，液滴的大小，和一个活跃的毛细管数。具有伸展（收缩）应力和平面（垂面）锚定的液滴在临界活性或液滴尺寸以上是不稳定的。这种不稳定性本质上是界面性的：它是通过主动流动与界面运动的耦合而产生的，即使主动向列相的体不稳定性不能发生。与活性物质的动态特征不同，不稳定性可以产生静态指进模式。手指的数量随着活动而增加，但随着肌肉渗透长度而非单调变化。总的来说，这些结果可以帮助理解生物系统的自组织形状，并在活性材料中设计图案。
2022-02-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Morphodynamics of Active Nematic Fluid Surfaces
在大变形极限条件下，建立了控制可变形曲面上主动粘性流体行为的形态动力学方程。重点放在制定的目标率，占正常的变形，同时确保切向流是欧拉，并使用的表面导数（而不是协变导数）的自由能，弹性耦合当地为了平面外弯曲的表面。专注于表面几何形状和它的动态相互作用与流体力学，几个说明性的不稳定性，然后表征。这些例子包括斯克里文-洛夫数及其近似的作用不可忽略的情况，以及主动的非线性强迫可以用Föppl-von-Kármán数的近似来表征的情况。对于前者，流动和变化的纹理耦合到表面几何形状的粘性耗散。结果表明，这导致在非平凡的松弛动力学的一个管。对于后者，在拉伸（主动起皱）和收缩（主动珍珠）的不稳定性的管形状，以及积极的弯曲不稳定性的拉伸自由能耦合到表面弯曲条款，在拉伸织构。与平面情况相比，这种弯曲不稳定性现在具有由管的非本征曲率设定的阈值。最后，我们研究了一个拓扑缺陷位于一个几乎平坦的表面上，并表明存在一个稳定的状态，缺陷的弹性，活动和不可忽略的自旋连接的组合驱动的表面形状的变化。
2023-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active sorting to boundaries in active nematic -- passive isotropic fluid mixtures
该研究用双流体模型探究活性向列-被动各向同性流体混合物的边界分选规律，发现活性流体拉伸/收缩特性与锚定方式共同决定边界聚集行为，机制源于向列序梯度，结果可经微管-驱动蛋白实验验证，或与生物体系边界分选相关。
2025-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multi-defect Dynamics in Active Nematics
最近的实验和数值研究引起了人们对主动向列相动力学的关注。二维主动向列相流自发地表现出时空混沌流与扩散的拓扑缺陷的纹理。有人提出，主动向列相的动力学可以理解为相互作用的缺陷的动力学，由主动应力推动。以前的工作已经推导出有效的运动方程的个别缺陷作为准粒子移动的平均场所产生的其他缺陷，但一个有效的理论管理多缺陷动力学仍然遥不可及。在本文中，我们研究了强序极限和过阻尼可压缩流的二维主动向列动力学。活性诱导的缺陷动力学被制定为一个扰动的准静态织构明确参数化的缺陷位置的歧管。这使得有可能得到一组耦合的常微分方程缺陷（因此纹理）的动态。有趣的是，由于与单个缺陷相关的纹理的非正交性，它们的运动通过位置相关的“集体迁移率”矩阵耦合。除了熟悉的积极自我推进的$+1/2$缺陷，我们得到新的集体效应的活动，可以解释在非中央和非互惠的相互作用的缺陷。
2020-07-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets
细胞内发生的积极力量可以驱动涉及自发组织和形状变化的关键生物过程，如细胞分裂。最近在体外实验的细胞骨架丝和电机，自组织和分裂的微滴的动机，我们提出了一个最小的流体动力学模型，结合了非平衡动力学的电机丝的相互作用与平衡微相分离。马达在液滴内组织，并将细丝结构化成极化的星状缺陷。在大的运动活动中，它们甚至可以使液滴变形或分裂，或形成多星状液滴链。我们预测的相图概括了这些实验观察到的形状。
2021-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Excitable Patterns in Active Nematics
我们分析了一个模型的相互推动的细丝悬浮在一个二维的溶剂。系统经历了一个平均场各向同性的转变足够大的灯丝浓度和的超导序参量被允许在空间和时间上变化。我们发现，非均匀的电介质的顺序，活动和流量之间的相互作用的结果在空间调制的弛豫振荡，类似于在可激发介质中看到的。在这种情况下，动力学由几乎静止的时期组成，这些时期被活动的“爆发”所分隔，在这些活动中，系统被弹性扭曲，溶剂被泵送通过。在更高的活性下，动力学变得混乱。
2010-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Instabilities and Topological Defects in Active Nematics
我们研究了一个可扩展的活动湍流的连续介质模型，表明中尺度湍流的发展分为两个阶段：（i）有序区域经历一个内在的流体动力学不稳定性，产生壁，强弯曲变形线，（ii）壁通过形成相反电荷的缺陷对而松弛。缺陷对的产生和湮灭都使经历进一步不稳定的双稳态区域恢复，从而导致动态稳定状态。我们比较这与发展的主动湍流在一个收缩的积极的心脏。
2013-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motor crosslinking augments elasticity in active nematics
本研究结合实验和多尺度建模，揭示了马达和被动交联剂对丝的交联主导向列相弹性，马达速度与交联竞争导致流动非单调依赖，为活性材料设计提供新见解。
2023-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Emergence of active nematics in bacterial biofilms
生长的组织和细菌菌落是活性物质系统，其中细胞分裂和细胞运动产生活性应力。虽然它们在非平衡状态下运行，但这些生物系统可以形成大规模的有序结构，如向列排列的细胞、拓扑缺陷和指状结构。机械不稳定性也发挥了重要作用，在增长过程中产生大的结构折叠。活性物质动力学和机械不稳定性如何一起在生长的组织中形成大规模的秩序还没有很好的理解。在这里，我们使用链形成枯草芽孢杆菌，也被称为生物膜，研究主动应力和生物有序之间的直接关系。我们发现，细菌生物膜具有内在的长度尺度以上的一系列机械不稳定性发生。局部应力和摩擦控制线性屈曲和边缘不稳定性。值得注意的是，这些不稳定性发展向列对齐的细胞结构，并创建对运动和静止的拓扑缺陷。我们还观察到，整个生物膜的应力分布强烈依赖于缺陷的动力学，可以进一步启动形成的孢子形成位点，通过创建三维结构。通过研究细菌生物膜的形成及其力学不稳定性，我们提出了一种新型的活性物质系统，该系统为研究向列体在生物组织生长中的重要作用提供了一个独特的平台。
2018-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Polar swimmers induce several phases in active nematics
在被动向列相中以溶致液晶形式游动的细菌是近年来研究中发现的一类新的活性物质，称为活液晶。还表明，液晶溶液是捕获和检测细菌的有希望的候选物。我们提出这样一个问题，是否可以为同样活跃的背景向列相设计类似的物质？因此，我们发展了一个极小模型的极性粒子的混合物中的活性向列相。结果发现，在这样的混合物中的活性向列相是高度敏感的极性粒子的存在下，并显示出形成大规模的更高的顺序结构的极性粒子密度相对较低。随着极性粒子密度的增加，发现了不同相的活性向列相，并观察到该系统表现出两个相变。第一个相变是从准长程有序的活性向列相到具有较大尺度结构的无序活性向列相的一级相变。当极性粒子的密度进一步增加时，系统过渡到第三阶段，其中极性粒子形成大的、相互对齐的簇。这些簇扫过整个系统，并在向列体中执行局部秩序。目前的研究可以帮助检测极低密度的极地游泳者在主动向线动物的存在，并可用于设计和控制主动向线动物的不同结构。
2021-08-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Inverse Measurements in Active Nematics
针对含活性元素的向列相系统，提出仅基于显微图像联合估计多物理场的逆问题框架，通过边界合规性确保准确性，其新型测量为边界感知系统设计提供见解，揭示边界剪切应力与拓扑缺陷成核的关联等关键发现。
2024-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active nematic flows on curved surfaces
细胞单层是组织生物物理学的中心模型系统。在体内，上皮组织的弯曲程度为微米级，而曲率在自发组织流动中的作用仍然没有得到很好的理解。在这里，我们提出了一个流体动力学理论的顶部-底部不对称的活性凝胶在一个弯曲的条。我们表明，表面曲率定性地改变单层运动相比，平坦的空间：由此产生的流量可以是无阈值的，和运动的过渡可能会从连续到不连续的变化。表面曲率，摩擦力和主动牵引力都显示出控制所选择的流动模式：从简单的剪切到涡链。
2022-03-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Viscoelastic confinement induces periodic flow reversals in active nematics
该研究通过线性稳定性分析和混合格子玻尔兹曼模拟，发现粘弹性通道约束下的活性向列相在低弹性模量阈值下会产生带周期性流动反转的自发振荡，并给出相图与机制解释，为活性物质调控研究提供新方向。
2023-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Statistical Properties of Autonomous Flows in 2D Active Nematics
我们研究了一个可调的二维有源液晶的动力学微管和驱动蛋白马达组成的限制在油-水界面。驱动蛋白马达通过ATP水解向系统中持续注入机械能，为相邻微管的相对微观滑动提供动力，从而产生宏观尺度的自主流动和混沌动力学。我们使用粒子图像测速技术来量化二维流动的主动向列相，并提取其统计特性。与流体动力学理论一致，我们发现包含混沌流的涡旋区域呈指数分布，这使我们能够提取特征系统长度尺度。我们探测这个长度尺度对ATP浓度的依赖性，ATP浓度是调节主动应力大小的实验旋钮。我们的数据表明，ATP浓度和主动应力之间的映射是基于Michaelis-Menten动力学，管理个别驱动蛋白电机的运动。
2019-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dancing disclinations in confined active nematics
集体流动的自发出现是活性流体的一般性质，并且通常导致其取向场中的以漩涡、射流和拓扑向错为特征的混沌流型。然而，实现结构化流动和有序向错的能力在主动系统的设计和控制中是特别重要的。通过限制在一个通道内的活动流体，我们发现一个有规律的运动的向错，结合一个定义良好的和动态的涡旋晶格。当成对的移动向错穿过通道时，它们不断地交换伙伴，产生一种动态的有序状态，让人想起Ceilidh舞蹈。我们预计，这种仿生能力，自组装有组织的拓扑向错和动态结构的流场在工程几何形状将铺平道路，建立新的主动拓扑微流体设备。
2017-03-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nonlinear spontaneous flow instability in active nematics
Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）；UBICS (University of Barcelona Institute of Complex Systems)（巴塞罗那大学复杂系统研究所）；Flatiron Institute（平顿研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Center for Systems Biology Dresden（德累斯顿系统生物学中心）；TU Dresden（德累斯顿工业大学）；Collège de France（法兰西公学院）；Institut Curie（居里研究所）；Université Paris Sciences & Lettres (PSL)（巴黎文理研究大学）
研究揭示了活性凝胶中即使线性稳定状态下也可能出现非线性不稳定性，导致自发流的不连续转变，通过弱非线性分析和数值研究，展示了条纹图案的分支图，并证明了pitchfork分支从超临界到亚临界的变化。
2024-03-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Submersed Micropatterned Structures Control Active Nematic Flow, Topology and Concentration
流动和材料性质之间的耦合赋予流变学物质广泛的适用性，因此激发了利用活性流体的流变学的兴趣，其中内部结构和连续能量注入导致自发流动和复杂的非平衡动力学。我们提出并证明了一个方便的，高度可调的方法控制流动，拓扑结构和活性膜内的组合物。我们的方法通过在薄的下层油层内间接存在完全浸没的微图案化结构来建立流变耦合。模拟结果表明，微图案化的结构产生有效的虚拟边界内的superjamming活性的粘性耗散作为深度的函数，由于差异。这种将位置依赖性的有效耗散应用于活性膜的可访问方法为工程化活性微流体系统提供了非侵入性途径。
2021-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active nematic defects and epithelial morphogenesis
受最近的实验，突出的作用，上皮组织的形态发生中的缺陷，我们开发了一个最小的框架，以研究动态的主动曲面驱动的纹理。允许表面通过弛豫动力学的发展导致了一个理论连接的缺陷动力学，细胞分裂率和高斯曲率。大的正（负）曲率和正（负）生长区域与正（负）缺陷共存。将此框架应用于体外环境中培养的小鼠神经祖细胞（NPC）的动态，我们发现细胞在阳性缺陷处积累，在阴性缺陷处耗尽。与此相反，应用这一动态的基础海洋无脊椎动物\emph{Hydra}在体内设置，我们表明，活动稳定的绑定$+1$缺陷状态，通过创建一个初期的触角，而绑定$+1$缺陷状态包围两个$-1/2$缺陷可以创建一个固定的环形配置的触角，与观察一致。
2021-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Beyond Dipolar Activity: Quadrupolar Stress Drives Collapse of Nematic Order on Frictional Substrates
该研究结合实验与模拟，发现摩擦基底上的微管-驱动蛋白体系因四极活性与摩擦的共同作用发生向列序崩塌，揭示了环境调控活性物质的新机制。
2025-01-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Biphasic, Lyotropic, Active Nematics
我们进行动态模拟的两维活动的双流体与各向同性流体共存。滴的活性碳变得细长，和一个有效的锚定发展在向列型各向同性界面。这种活动也引起界面的波动不稳定性。这导致正拓扑电荷的缺陷被喷射到界面中，留下具有扩散负电荷的界面。淬灭活性溶致流体导致稳定状态，其中相分离域被拉长，然后通过主动搅拌被撕裂。
2014-12-16 cond-mat.soft
Photosynthetically-powered phototactic active nematic fluids and gels
该研究揭示光强梯度如何诱导蓝细菌丝状体从极性运动转向双极运动并自组装为二维、三维活性向列结构，定量刻画序参量演化、流凝转变及缺陷行为。
2023-09-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Cell Sorting in an Active Nematic Vertex Model
Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, University of Oxford（鲁道夫·皮尔斯理论物理中心，牛津大学）
该研究通过引入活性向列应力的顶点模型，发现细胞混合体系的相分离程度与收缩活性正相关、与拉伸活性呈非单调关系，揭示了拉伸活性促细胞运动、收缩活性促细胞黏附的细胞分选机制。
2024-10-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Thin active nematohydrodynamic layers: asymptotic theories and instabilities
本研究通过渐近理论推导活性向列薄膜的低维模型，揭示厚度与形状变化改变不稳定性本质，并发现各向同性相中两类活性均可诱导有序，强调活性、厚度与曲率的耦合作用。
2025-06-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active turbulence in active nematics
密集的，活跃的系统显示活跃的湍流，一个状态的特点是流场是混乱的，不断变化的速度射流和漩涡。在这里，我们回顾我们目前对活跃湍流的理解。发展主要基于活性液晶的理论和模拟，但伴随着相关文献的总结。
2016-05-03 cond-mat.soft
Self organisation of invasive breast cancer driven by the interplay of active and passive nematic dynamics
该研究结合模拟与2,000余例患者肿瘤组织学分析，提出浸润性乳腺癌结构源于癌细胞主动向列运动与ECM被动向列约束的自组织耦合，并发现活动度可预测肿瘤进展和预后。
2024-12-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Experimental identification of force, velocity, and nematic order relationships in active nematic cell monolayers
本研究实验证明细胞牵引力与向列序张量梯度全局对齐且成正比，并提出含非线性力与扩散项的流动模型，揭示活性力增强密度不稳定性但抑制弯曲不稳定性，从而解释神经祖细胞培养中聚集与分散共存而有序图案稳定的现象。
2024-02-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Density Induced Phases in Active Nematic
我们引入一个极小模型，研究了二维基底上一系列自推进的非极性活性粒子（也称为“活性向列体”）随密度变化的有序-无序转变。粒子与它们的邻居在Lebwohl-Lasher模型的框架内相互作用，并沿着它们的方向不对称地移动到最近的未被占据的晶格位置。当密度低于平衡态各向同性-带状转变密度时，活性碳发生从各向同性态到带状态的一级转变。带状态在一定的密度范围内延伸，系统的标量序参量表现出类似于磁系统的平台行为。在大密度极限下，激活态表现出介于具有整体有序性的均匀有序态和具有局部有序性的非均匀混合态之间的非线性行为。对上述具有密度变化的阶段的研究很少，并且对许多生物系统的复杂行为提供了重要的见解。
2015-09-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Spectral energy analysis of bulk three-dimensional active nematic turbulence
本文采用连续介质数值模拟方法对三维块状主动湍流进行了能谱分析。具体来说，我们计算的两个主要的能量贡献-动能和弹性能-的频谱，并结合这与几何分析的三阶和流场，基于直接缺陷跟踪和计算的自相关。我们发现，积极的反弹性能量集中在相应的规模的有效缺陷-缺陷分离，缩放活动为$\simζ^{0.5}$，而动能是最大的，通常是几个100 μ m的相关长度在较大的尺度。向列双轴性被证明在大多数长度尺度上对主动湍流没有作用，但在主动缺陷核尺寸尺度上可以影响一个数量级的非线性弹性能量。探讨了外部对准场对3D主动湍流的影响，显示了从有效主动湍流到对准状态的过渡。这项工作的目的是提供一个贡献，了解活跃的湍流在一般的三维，从主要的能源相关机制的角度在不同的长度尺度的系统。
2020-09-14 cond-mat.soft
Instabilities, defects, and defect ordering in an overdamped active nematic
我们考虑一个唯象连续理论的可扩展的，过阻尼的主动液晶，适用于在密集的制度。从一般原理构建，理论是普遍的，与任何特定的微观实现独立的参数。我们发现，它表现出弯曲不稳定性类似于在主动悬架，导致扩散的缺陷。我们发现三个不同的非平衡稳态：一个缺陷有序的双极型，其中$+\frac{1}{2}$向错发展极序，一个起伏的双极型状态，没有缺陷，和一个动荡的缺陷双极型。我们表征这些阶段的现象学，并确定这种理论描述的关系，实验实现和其他理论模型的活性向列相。
2015-06-10 cond-mat.soft
Universal scaling of active nematic turbulence
湍流的一个里程碑是普遍标度律的出现，如Kolmogorov的$E(q)\sim q^{-5/3}$标度的惯性湍流的动能谱与波矢量$q$。近年来，研究表明，活性流体在低雷诺数下表现出类似粘性流体的流动。然而，在这些流动中是否存在普遍的标度性质仍然不清楚。为了解决这个问题，在这里，我们提出了一个最小的无缺陷流体动力学理论的二维主动无缺陷流体在雷诺数为零。通过大尺度模拟和分析论证，我们证明了动能谱在长波长处具有普适的$E(q)\sim q^{-1}$标度。我们发现，由于活动的能量注入有一个峰值的特征长度尺度，这是由一个非线性机制选择。与惯性湍流相反，能量在其注入的尺度上完全耗散，从而排除了能量级联。然而，Stokes流的非局域特性建立了长程速度关联，这导致了标度行为。我们的结论是，主动湍流流体定义了一个独特的普遍性类湍流在低雷诺数。
2020-09-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active nematic gels as active relaxing solids
我提出了一个连续的理论，活性凝胶，定义为流体或悬浮液的定向棒状物体赋予主动动力学，这是基于对称性参数和热力学的兼容性。出发点是我们最近的理论，模型（被动）液晶作为松弛弹性体。粘弹性响应和微观成分的主动动力学之间的相互作用自然被考虑在内。与标准理论相比，活性不是作为应力张量的附加项引入的，而是作为外部重塑力加入的，它与被动松弛动力学竞争，并将系统从平衡中拖出来。在一个简单的一维通道的几何形状，我们表明，非均匀的有序和活动之间的相互作用的结果，无论是在一个自发的粒子流或自组织成子通道，在相反的方向流动。
2017-10-31 cond-mat.soft
Defect order in active nematics on a curved surface
本文研究了非本征曲率对限制在圆柱表面的二维主动湍流的影响。圆柱表面没有内曲率，只有外曲率。在这种情况下，平行于圆柱体的长轴的最小主曲率会对非本征曲率做出反应。当向列相足够活跃时，取决于活跃应力的性质，存在由弯曲或张开不稳定性引起的缺陷扩散。圆柱体的外在曲率破坏了这一过程的旋转对称性，这意味着缺陷是平行于圆柱体还是垂直于圆柱体产生的，这取决于活动的圆柱体是收缩的还是伸展的。
2020-02-15 cond-mat.soft
Machine Learning Forecasting of Active Nematics
活性向列相是一类远离平衡态的材料，其特征在于产生力的各向异性组分的局部取向顺序。传统的方法预测的动态活性向列相依赖于流体动力学模型，它准确地描述理想化的流动和许多稳态性能，但不捕捉某些详细的动态实验活性向列相。我们开发了一种深度学习方法，该方法使用卷积长短期记忆（ConvLSTM）算法来自动学习和预测活动向列体的动态。我们展示了我们纯粹的数据驱动的方法上的实验的2D无限制的活性向列的可伸展的微管束，以及从数值模拟的活性向列的数据。
2020-10-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Nematic order condensation and topological defects in inertial active nematics
不同长度尺度的生命物质表现出取向有序、拓扑缺陷和主动湍流等主动湍流特征。利用数值模拟，我们调查的影响，流体惯性集体斑图形成在积极的向列相。我们表明，由于减少粘度的惯性效应的增量增加，导致在逐步熔化的拓扑缺陷密度增加的前一个不连续的过渡到涡凝聚态的顺序。在足够低的粘度下出现的涡旋凝聚态与巨涡旋内的三阶凝聚和拓扑缺陷密度的下降相一致。我们进一步表明，流场周围的拓扑缺陷的惯性效应的影响很大。此外，我们证明了动能谱对惯性效应的强烈依赖性，恢复了涡旋凝聚相内的Kolmogorov标度，但没有发现在较高粘度下的普适标度的证据。研究结果揭示了活性向列湍流的新复杂性，并强调了活性颗粒在流动和取向组织中的活性和惯性效应之间的重要串扰。
2022-06-09 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Colloids in Two-Dimensional Active Nematics: Conformal Cogs and Controllable Spontaneous Rotation
该研究利用共形映射分析浸入二维活性向列相中的倾斜锚定圆盘与手性齿轮，揭示自发推进、取向依赖手性和持续旋转机制，并给出可控旋转胶体的设计原则。
2023-07-11 cond-mat.soft
Driven active and passive nematics
我们调查外部驱动和主动驱动向列相之间的微观结构动力学的相似之处。壁、指向矢场中的强变形线和拓扑缺陷是有源晶体的特征。当由于非线性流场或几何约束而在施加的速度梯度中存在不均匀性时，在驱动的被动向列学中形成类似的结构。具体地，在膨胀-收缩通道中的翻滚被动螺旋桨的压力驱动流产生与在主动向列体中看到的那些类似的壁和缺陷。我们还研究了主动向列相对外部驱动的响应，证实了施加的剪切抑制流体动力学不稳定性。我们表明，剪切场可以导致壁对齐和本地化的积极湍流。
2015-04-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Phase Separation and Emergent Structures in an Active Nematic
我们考虑一个唯象连续模型的一个积极的非线性流体和显示一个普遍的，模型独立的，不稳定性，使均匀的非线性状态不稳定的秩序波动。使用数值和分析工具，我们表明，在临界点附近的低能量激发，这种不稳定性导致相分离，其中有序区域形成带的方向是垂直于密度梯度的方向。我们认为，这种机制相分离，我们称之为自我调节，是一个普遍的功能，活性流体。
2014-09-03 cond-mat.soft
Multiscale Microtubule Dynamics in Active Nematics
在基于微管的主动向列学中，马达驱动的微管束的伸展运动为混沌大尺度动力学提供动力。我们量化的丝间滑动运动在孤立的束和在一个密集的活跃的纤维束。一个孤立的微管对的延伸速度与分子马达的步进速度相当。相比之下，在密集的2D主动向列的净延伸是显着较慢，丝间滑动速度广泛分布的平均值和长丝表现出收缩和伸展相对运动。这些测量结果突出了将孤立束的延伸率与密集的2D主动神经元中存在的多电机和多细丝相互作用连接起来的挑战。它们还提供了构建多尺度模型所必需的定量数据。
2021-09-13 cond-mat.soft
Geometry and topology of turbulence in active nematics
本文从理论上讨论了活性微扰流体的低雷诺数湍流问题。使用数值模拟，我证明了一个不可压缩的湍流，在二维主动向列，由一个合奏的涡的面积呈指数分布的尺度范围内。在此基础上，我建立了一个主动湍流的平均场论，通过它可以解析地计算几个可测量的量，包括谱密度和关联函数。由于流动的几何形状和拓扑性质之间的深刻的联系，该理论揭示了导致活跃的向列相的拓扑缺陷的扩散的机制，并提供了一些可检验的预测。一个假设，灵感来自Onsager的统计流体力学，最后介绍了占平衡概率分布的旋涡大小。
2015-08-03 cond-mat.soft
Friction mediated phase transition in confined active nematics
本文通过最小连续介质模型研究了受限活性向列相中圆形约束与基底摩擦的相互作用，发现随摩擦增加系统发生从环流相到各向异性流相的动力学相变，证明摩擦与几何约束是活性向列相的重要控制参数。
2023-10-25 cond-mat.soft
How reciprocity impacts ordering and phase separation in active nematics?
该研究通过分析三种对称性相同但互易性作用实现不同的非极性活性向列相微观模型，验证了微观实现细节会决定有序转变类型，且所有模型均存在涨落主导的相分离和向列相准长程有序。
2023-12-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coexistence of active and hydrodynamic turbulence in two dimensional active nematics
在主动液晶中，活动能够驱动混沌时空流，称为主动湍流。通过理论和实验工作，主动湍流被表征为低雷诺数现象。我们表明，在二维，单独的主动强迫是能够触发流体动力学湍流导致的共存的主动和惯性湍流。这种类型的流动发展为足够活跃和可延伸的流动对齐向列相。我们观察到，一个extensile的小的和大的值的流动对齐参数的组合效果导致的弹性能谱，促进能够触发逆能量级联的动能的增长扩大。
2022-10-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Topological structure and dynamics of three dimensional active nematics
点状能动拓扑缺陷控制着从摇动的颗粒棒到细胞单层的各种二维活性向列相的普遍动力学。在更高的维度上，类似的理解还没有出现。我们报道了通过在被动胶体液晶中分散可伸展的微管束来创建三维主动向列相。光片显微镜揭示了毫米级结构的活性向列相与一个单一的束分辨率和时间演变的相关的双指向矢字段。三维活性向列相的主导激发是扩展的电荷中性向错环，其经历复杂的动力学和复合事件。这些研究引入了一类新的非平衡系统，其类似于混沌的动力学来自内部产生的主动应力，混沌流和组成缺陷的拓扑结构之间的相互作用。
2019-09-03 cond-mat.soft
Environment-stored memory in active nematics and extra-cellular matrix remodeling
本研究针对活性系统与环境相互作用时的向列序问题，从理论上提出环境存储记忆可作为排列活性向列相的有效外场，解释了细胞外基质重塑对细胞及基质排列、畴范围的调控作用，与实验结果相符。
2024-05-09 cond-mat.soft
Defects in active nematics: algorithms for identification and tracking
对活性向列相的日益增长的兴趣和生物学中拓扑缺陷相关性的新证据要求可靠的数据分析工具来识别、分类和跟踪模拟和显微镜数据中的此类缺陷。在这里，我们提供这样的工具，并证明了两个例子，在一个活跃的湍流状态，在一个活跃的线虫动力学模型和新兴的多相场模型，缺陷速度的统计数据与实验结果进行比较的可能性。所考虑的工具，这是基于物理和数据驱动，相互比较。
2020-02-07 cond-mat.soft
Dispersion of activity at an active-passive nematic interface
有效的营养混合对于细菌菌落和其他生命系统的生存至关重要。这就提出了一个问题，即通过细菌群中出现活跃的湍流运动来优化混合是否在细菌形状的进化中发挥了作用。在这里，为了解决这个问题，我们解决的流体动力学方程的活性向列相耦合的对流扩散方程的营养物质。后者模拟了一个保守的活动领域，并模仿细菌群中营养物质的保护。在主动和被动相变之间的界面处，除了扩散之外，活性还通过界面流动进行传输，并进而通过主动应力对其进行修改。我们发现，界面分散的保守活动是subdiffusive由于出现了一个障碍的负缺陷的主动-被动界面，这阻碍了积极的积极缺陷的传播。此外，我们观察到的非单调依赖的广义扩散系数的排列参数，这是有关的粒子的形状。我们的模拟表明，有一个最佳的形状，最大限度地分散保守的活动在主动-被动的双金属界面。
2022-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Deterministic endless collective evolvement in active nematics
提出了一个简单的确定性动力学方程，揭示了活动星系中空间密度不均匀性大尺度无限演化的机制。我们用解析的方法确定相区。密度、三阶星等和三阶指向矢的相互作用对于长波长的不稳定性和看似波动的集体运动的出现至关重要。有序的粒子场域，可以吸收粒子，无限生长，无限分裂。目前的发现扩展了我们对活性流体中大规模和看似波动的组织的理解。
2010-11-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Tailoring interactions between active nematic defects with reinforcement learning
本文提出利用强化学习无模型控制活性向列相场，通过局部活性场诱导缺陷对间相互作用并遵循设计动力学定律，该方法无需精确参数化且适用于低维反馈控制的生物学实验实现。
2024-11-14 cond-mat.soft
Active nematics in corrugated channels
本研究通过多粒子碰撞动力学模拟，探究波纹通道中活性向列相流体的动力学，揭示了边界波纹结构对流动转变与流态的关键调控作用。
2024-10-16 cond-mat.soft
Active nematic defects in compressible and incompressible flows
本文研究了在有无不可压缩约束下主动流驱动下基底上主动薄膜的动力学行为，通过数值模拟和理论分析，我们发现主动薄膜在可压缩情况下是稳定的，而在不可压缩约束下则变得不稳定。对于可压缩流在足够高的活动，稳定的拱组织成一个近晶状的模式，这会导致相关的全球极性有序的$+1/2$的缺陷。相比之下，发散自由流动引起的局部的$+1/2$缺陷，由相邻缺陷的反对齐对，如在以前的研究中建立的顺序。
2022-10-28 cond-mat.soft
Orientational order of motile defects in active nematics
对平衡态液晶的研究使人们对有序材料的性质有了基本的了解，并使人们对显示技术等实际应用有了新的认识。活性向列相是一种完全不同的液晶，通过其组成的棒状粒子的自主运动而脱离平衡。这种内部产生的活动为拓扑缺陷的持续产生和湮灭提供动力，这导致复杂的流动，其混沌动力学似乎破坏了长程序。在这里，我们在活性向列体的实验和计算实现中研究这些动力学。通过跟踪基于微管的活性向列相的厘米级距离上千个缺陷，我们确定了一个非平衡相，其特征在于系统跨越取向顺序的缺陷。尽管缺陷的生命周期只有几秒钟，但这种紧急顺序持续了几个小时。在粗粒度模拟中观察到类似的动力学结构，表明缺陷有序相是活性向列相的一般特征。
2015-07-09 cond-mat.soft
Activity gradients in two- and three-dimensional active nematics
我们数值研究如何在二维和三维的空间变化的伸缩性主动应力影响散装主动的双折射系统。在没有缺陷的情况下，活性梯度驱动流动，其重新定向磁指向矢场，从而充当有效的锚定力。在高活性下，产生缺陷，并且系统过渡到活性湍流，一种以强涡度为特征的混沌流状态。我们发现，在二维（2D）系统中的主动扭矩鲁棒地对齐$+1/2$缺陷平行于活动梯度，缺陷的头部指向收缩区域。在三维（3D）主动向列学中，由于作用在线段上的主动转矩，向错线优先位于垂直于活动梯度的平面中。缺陷结构在垂直于线切线的平面中的平均取向取决于缺陷类型，其中楔形$+1/2$缺陷平行于活性梯度排列，而扭曲缺陷反平行排列。了解活性体液对活性梯度的反应是将物理理论应用于生物学的重要一步，其中活性应力的空间变化影响发育中胚胎的形态发生过程，并影响生长中细胞聚集体（如肿瘤）的流动和变形。
2022-06-13 cond-mat.soft
Defect dynamics in active nematics
拓扑缺陷是液晶的独特特征。它们通过以不可避免地需要用任何局部变形集都无法实现的全局变化的方式约束取向结构来深刻地影响流体的粘弹性行为。在有源双折射液晶中，拓扑缺陷不仅决定指向矢的全局结构，而且还作为局部运动源，表现为自推进粒子。在这篇文章中，我们提出了一个详细的分析和数值研究的拓扑缺陷的机制，在有源双液晶。
2014-03-26 cond-mat.soft
Topological defects lead to energy transfer in active nematics
通过数值模拟研究活性向列相缺陷混沌中的能量转移机制，发现其由缺陷产生与湮灭过程中取向和有序度变化的交换驱动，并揭示了弯曲壁的类似作用。
2025-11-06 cond-mat.soft
