中國香港中文大學(xué)吳藝林研究組與美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校、哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)學(xué)者首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)材料的流變性質(zhì)可以控制活性物質(zhì)在空間和時間上的自組織。2月4日，相關(guān)研究在線發(fā)表于《自然》。

活性物質(zhì)是由自驅(qū)動單元組成、能夠局部消耗能量產(chǎn)生運(yùn)動的物質(zhì)系統(tǒng)，包括從細(xì)胞到動物的所有生命體，以及人工合成的自驅(qū)動物質(zhì)等。活性物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)由無序變?yōu)橛行?，大量分子或單元按一定?guī)律運(yùn)動的過程被稱為自組織。例如，魚、鳥、細(xì)菌等個體在一定條件下通過自組織形成群集、渦旋、螺旋等集體運(yùn)動。

“你可以把運(yùn)動的細(xì)菌想象成小球，每個小球都能控制自己的運(yùn)動。個體運(yùn)動雜亂無章，但將所有小球聚集起來，在其周圍環(huán)境中加上粘彈性材料后，我們發(fā)現(xiàn)所有小球會突然間大致有序地朝一個方向運(yùn)動。”論文通訊作者、香港中文大學(xué)副教授吳藝林告訴《中國科學(xué)報》，以往控制活性物質(zhì)時空自組織需要利用基因工程產(chǎn)生個體間復(fù)雜的交互作用，而此項(xiàng)研究首次提供了一種簡單原理，通過調(diào)節(jié)流體粘彈性就可以同時控制細(xì)菌活性物質(zhì)的時空自組織。

“我們利用分子量比較高的大腸桿菌DNA調(diào)控細(xì)菌懸浮液的粘彈性，然后在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了令人驚嘆的現(xiàn)象。”香港中文大學(xué)博士研究生劉松說。

研究人員表示，當(dāng)DNA濃度被稀釋后，細(xì)菌懸浮液呈無序狀態(tài)，細(xì)胞集體以瞬態(tài)漩渦或射流的形式進(jìn)行幾十微米的小規(guī)模運(yùn)動;而當(dāng)DNA濃度達(dá)到一定程度時，細(xì)菌活性液體在空間上自組織成有序的定向運(yùn)動，并形成毫米尺度的巨型渦旋，在空間上可達(dá)近千倍細(xì)菌尺度。進(jìn)一步調(diào)整細(xì)菌活性物質(zhì)的粘彈性后，巨型渦旋發(fā)生了反向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)周期性、穩(wěn)定性特征。這些運(yùn)動并未借助外界指令和壓力，而是自驅(qū)動完成。

“實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的自組織渦旋可能為制備新型、可調(diào)控的自驅(qū)動器件帶來啟發(fā)。”吳藝林說，如同動物的動作行為受其神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部時鐘信號發(fā)生器的操控，自驅(qū)動器件也需要時鐘信號控制運(yùn)算動作。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的活性流體渦旋與傳動系統(tǒng)耦合時，可作為無須電路元件的“時間信號發(fā)生器”發(fā)出定時信號，調(diào)控微流系統(tǒng)的液體運(yùn)輸或控制軟體機(jī)器人產(chǎn)生動作節(jié)奏。(王東麗 李晨陽)