如果你曾经看过一群鸟完美地协调飞行，或看到涟漪在池塘中传播，你就见证了大自然卓越的协调运动能力。最近，莱斯大学的科学家和工程师团队在微观尺度上发现了类似的现象，在这种现象中，微小的磁性粒子受到旋转场的驱动，自动沿着聚类的边缘移动，这些聚类由遵循意想不到的物理学分支的无形“边缘电流”控制。这项研究发表在《物理评论研究》杂志上。
“当我看到初始数据时——粒子在边缘的流动速度快于中间的流动——我说‘这些是边缘流!’ 然后我们开始探索这个现象，”通讯作者、物理和天文学助理教授艾芙琳·唐说道。“非常令人兴奋的是，我们可以利用拓扑物理的概念解释它们的出现，拓扑物理是一个因量子计算机和异国材料而变得突出的领域。”
在他们的实验中，团队将超paramagnetic胶体（可以理解为比沙粒小一百倍的微小磁珠）悬浮在盐水中。然后，他们施加旋转的磁场，使粒子形成不同形状的晶体：有时它们形成密集的圆形聚类，有时它们在中间留有空洞或“空隙”地展开成片。
当这些形状的外部边缘的粒子开始比其他部分移动得更快时，实验变得特别有趣，形成了一种在边界周围移动的传送带。
“我们称之为边缘流，”共同第一作者、唐实验室的前博士后亚历山德拉·尼尔森说。“这基本上是一种自然形成的电流，在边界周围形成，而不需要任何推动。”
为了理解为什么会出现这种现象，研究人员转向了一种称为拓扑物理的概念，这是一种描述运动或行为受整个形状或布局控制而非精确细节的系统的方法。
“拓扑就像决定交通流的公路标志，”共同作者、化学工程的威廉·M·麦卡德尔教授西巴尼·丽莎·比斯瓦尔说。“即使有施工或坑洼，交通仍然以同样的方式流动，因为路线是由系统的形状决定的。这就是拓扑的意义——即使在喧闹或混乱的条件下也能有效保持的规则。”
在这种情况下，“规则”预测旋转的磁性粒子会在它们形成的任何形状的边缘产生运动——无论是聚类还是空隙。而这正是团队在显微镜下观察到的现象。
有趣的是，运动的类型依赖于形状。当粒子形成自由漂浮的聚类时，边缘流使整个聚类像一个小轮子那样旋转。但是, 当粒子形成带有空隙的大片时，边缘仍然有运动，但整体结构并不旋转。
唐解释说，这种现象的发生是因为在聚类中，粒子可以像跳舞者在圆圈中那样自由地一起转动。但是在带有空隙的片状结构中，周围的物质将它们固定在位置，因此边缘运动必须向内部扩散，而不是旋转。这种差异也改变了整个系统重组的速度。聚类可以在几分钟内改变形状和合并，而带有空隙的片状结构则需要更长时间。
控制粒子如何移动和自我组织的能力可能看起来像是一个小众发现，但其影响广泛。了解如何在拥挤的动态系统中引导运动可以为设计响应性材料提供信息，例如靶向药物递送、自适应表面或微型机器人群体。
“我们正在学习如何使用简单的物理原理控制集体行为，”共同第一作者、比斯瓦尔实验室的应届毕业生达娜·洛布梅耶说。“这是朝着创造能够感知其环境并智能应对的材料迈出的一步，而不需要计算机或指令。”
尽管实验使用了合成粒子，但团队也看到了生物学中的相似之处。许多细胞聚类在发育或愈合过程中旋转，这提高了在活体生物内部可能存在类似物理原理的可能性。
“这就是科学的美，”唐说。“我们将一个基本数学和统计物理的概念应用到日常材料中。这提醒我们，相同的优雅规则可以在邻近的实验室中出现。”
这项研究得到了国家科学基金会和卡夫利基金会的支持。
