中國科大發現活性液晶可編程雙行波新機制
中國科學技術大學物理學院彭晨暉教授、蔣景華研究員團隊與香港科技大學、廈門大學合作，在“活性液晶”體系中發現了一種獨特的“雙行波”現象，通過實驗、理論與模擬相結合解析了其形成的物理機制，并進一步對其進行精準編程與控制。此項研究為智能活性材料與微納機器人的設計提供了全新路徑。相關研究成果于11月27日以“Programmable double traveling waves in living liquid crystals”為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
活性物質是由自驅動單元組成的非平衡系統，其內部常出現復雜的行波模式，然而如何有效控制這些波動一直是該領域的核心挑戰。研究團隊將游動細菌與溶致液晶相結合，構建出“活性液晶”這一體系，在其中細菌作為活性單元，液晶則提供結構導向的被動環境。
研究團隊通過光圖案化技術預先設計液晶分子的排列，誘導細菌在特定區域聚集并形成定向流動。當細菌濃度超過臨界值時，原本穩定的細菌流發生失穩，產生波動，并沿預設路徑傳播，形成“活性行波”。更為重要的是，這些細菌波進一步擾動周圍液晶，誘發出一個緊隨其后的被動“液晶行波”，兩者以恒定相位差協同前進，構成“雙行波”體系。
圖1.細菌與液晶行波的產生
為深入解析雙行波的形成機制，研究團隊構建了多尺度理論模型，結合基于個體的細菌粒子模型與液晶連續介質模型，通過數值模擬完整再現了實驗現象。在細菌粒子模型中，每個細菌被描述為具有位置和方向的活性單元。模型揭示了細菌與液晶相互作用的微觀機制：細菌受到一個關鍵扭矩的作用，驅使它們趨向于與局部液晶指向矢方向對齊，這是液晶環境對細菌運動的關鍵反饋。
實驗與理論模擬共同揭示，細菌行波的產生源于系統在結構與相互作用層面的“宇稱-時間對稱性破缺”。預先設計的圖案打破了空間對稱性，使得細菌與液晶之間的反饋作用產生凈驅動力，推動波前定向傳播。模擬結果清晰地顯示，在具有對稱破缺的展曲圖案中，液晶指向矢對細菌流施加的扭矩在波的不同區域產生不對稱的響應，從而產生凈驅動力，驅動細菌波單向傳播。相比之下，在均勻排列的液晶中，雖然細菌流也會產生波動，但由于相互作用對稱，凈驅動力為零，只能形成駐波而非行波。這一發現從根本上解釋了為何具有對稱破缺的圖案化設計是實現波動可控的關鍵。
研究團隊進一步解析了主動細菌-被動液晶雙行波形成的物理機制。在液晶連續介質模型中，研究團隊采用流體動力學方程描述向列相液晶的動力學演化。模型特別引入了活性應力張量，直接將細菌的濃度場和取向場與液晶的流體動力學耦合起來，這是活性系統區別于被動系統的核心特征。在細菌波傳輸的過程中，其對被動的液晶分子產生吸引作用，由于表面錨定，細菌同時也被液晶分子吸引，最終細菌波和液晶波形成固定的相位差同時向前傳輸，形成“雙行波”。
基于對機制的深刻理解，研究團隊展示了對此類波動的強大控制能力。他們不僅實現了單向、雙向甚至多環同向/反向的波動傳播，更通過可編程圖案化技術，成功書寫出“U”“S”“T”“C”等字母形狀的細菌行波，展現了該平臺在引導和編程復雜活性波動方面的高度靈活性與魯棒性。
圖2. USTC形狀的行波
該研究首次在實驗和理論上系統揭示了活性液晶中活性-被動耦合波動的協同傳播機制，并實現了其程序化操控。多尺度模擬框架的成功建立，不僅為理解活性物質中的非平衡動力學提供了強大工具，也標志著人類在理解與駕馭活性物質動態行為方面邁出關鍵一步。
中國科學技術大學物理學院碩士研究生吳家琪、劉夢鴿，香港科技大學博士研究生牟澤陽為文章的共同第一作者，彭晨暉教授、蔣景華研究員和香港科技大學的張銳教授、廈門大學游智鴻教授為文章的共同通訊作者。該研究工作獲國家自然科學基金、安徽省自然科學基金及香港研究資助局等項目支持。此工作也得到了中國科大微納研究與制造中心的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66572-4
(物理學院、科研部）
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