活性物質(zhì)指的是由自驅(qū)動(dòng)單元所組成的一類重要的軟物質(zhì)體系，它的范圍涵蓋從微觀尺度的細(xì)胞骨架、細(xì)菌溶液，到宏觀尺度的鳥(niǎo)群、魚(yú)群等。由于固有的非平衡特性，活性物質(zhì)經(jīng)常展現(xiàn)出反常且有趣的物理現(xiàn)象，并為設(shè)計(jì)智能材料與器件提供了新思路。此外，活性物質(zhì)也能夠作為活性浴顯著地影響位于其中的非活性粒子的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)行為。目前該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)是考察平衡熱浴中的基本物理概念和物理關(guān)系在活性浴中的有效性及推廣。近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室SM8組的博士后劉鵬和博士生葉思敏在副研究員楊明成、研究員陳科、葉方富的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地研究了熵力、噪聲和能均分這些熱浴中的基本物理概念在活性浴中的適用性。
　　在平衡態(tài)下，熵力（也稱耗盡力）是指在由大量小粒子組成的熱浴中，懸浮的大顆粒之間的一種有效吸引作用。大顆粒的彼此靠近雖然壓縮了其位形空間，卻更多地增加了小粒子的位形空間，因此增大了系統(tǒng)總熵。熱浴中熵力既可以由自由運(yùn)動(dòng)大顆粒的對(duì)關(guān)聯(lián)函數(shù)確定，又可以通過(guò)固定大顆粒的方案進(jìn)行測(cè)量。也就是說(shuō)平衡態(tài)熵力不依賴粒子所受到的外界約束。與此類似，熱浴中懸浮粒子所經(jīng)歷的噪聲為白噪聲，其特性無(wú)關(guān)于外界約束；懸浮粒子所遵守的能均分關(guān)系亦與約束強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這些外界約束無(wú)關(guān)性是平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的基本結(jié)果。但是，在活性浴中上述的約束無(wú)關(guān)性是否成立并不清楚，進(jìn)而甚至如何正確地測(cè)量活性“熵力”（耗盡力）也是不清楚的。
　　該研究組首先提出了正確測(cè)量活性耗盡力的方法，并利用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)直接確定了兩個(gè)膠體粒子之間的活性耗盡力（圖1）。同時(shí)該研究發(fā)現(xiàn)：膠體粒子間的有效力敏感地依賴于其受到的外界約束（圖2和圖3(b)）；無(wú)論自由粒子的對(duì)關(guān)聯(lián)函數(shù)（圖3(a)）還是固定粒子方案都不能給出正確的活性耗盡力。這一成果近期發(fā)表在PHYSICAL REVIEW LETTERS 124, 158001 (2020)上。該研究組進(jìn)一步利用理論與模擬研究了活性浴中膠體粒子所遭受的噪聲特性，發(fā)現(xiàn)活性噪聲是一種彩色噪聲，并敏感地依賴于非活性膠體粒子所受到的外界約束，與熱噪聲情形完全不同。圖4展示了活性噪聲強(qiáng)度DA和關(guān)聯(lián)時(shí)間τ與約束強(qiáng)度的相關(guān)性。這一成果近期發(fā)表在SOFT MATTER DOI: 10.1039/D0SM00006J (2020)上。此外，該研究組也測(cè)量了細(xì)菌溶液中非活性膠體粒子在光鑷下的勢(shì)能，發(fā)現(xiàn)平均勢(shì)能也依賴于膠體粒子所受的約束程度，這顯著地不同于平衡態(tài)的能均分關(guān)系。相關(guān)工作近期發(fā)表在CHINESE PHYSICS B 29, 058201 (2020)上。從微觀上看，無(wú)論膠體粒子的活性有效力、噪聲，還是它在光井中的平均勢(shì)能，其約束依賴性都起源于膠體粒子的弛豫動(dòng)力學(xué)對(duì)活性粒子分布及其碰撞強(qiáng)度的影響。這些研究工作表明，活性浴中的物理概念比熱浴中的復(fù)雜得多，不能用平衡態(tài)的方法進(jìn)行處理。
　　上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委(11874397, 11874395, 11674365, 11774393, 11774394)、科技部 (2015CB856800)、K. C. Wong教育基金，以及中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(QYZDB-SSW-SYS003)的支持。
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　　圖1. 活性耗盡力的模擬系統(tǒng)(a)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(b)示意圖。
　　圖2. 模擬(a)和實(shí)驗(yàn)(b)分別展示了在多種約束強(qiáng)度下，活性有效力隨膠體粒子間距的變化。
　　圖3. (a) 從對(duì)關(guān)聯(lián)函數(shù)g(r)得到的有效力與模擬直接測(cè)得的有效力有明顯偏差；(b)通過(guò)摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)的動(dòng)力學(xué)約束，極大地影響活性耗盡力。
　　圖4. 在不同約束強(qiáng)度下，通過(guò)非活性示蹤粒子在活性浴中的均方位移 (a)，提取出的活性噪聲強(qiáng)度DA及活性噪聲關(guān)聯(lián)時(shí)間τ(b)。