2021年9月29日，《美国科学院院刊》（PNAS）在线发表题为“Activity waves and freestanding vortices in populations of subcritical Quincke rollers”的研究论文，报道了我院施夏清、张天辉以及法国原子能委员会Hugues Chaté关于亚临界活性物质中的涡旋和激发波的合作研究工作，我院硕士研究生刘增涛、石燕以及副教授赵永峰博士参与进行了相关研究工作。
活性物质体系利用个体自身储存的能量或者从环境中获得的能量进行自发迁移或自组织过程。目前大量的研究工作都集中于系统中粒子可独立运动的体系。对这样的活性物质体系，通过20多年的研究，我们对其大尺度集体动力学的物理机制，包括体系能量在不同尺度级联传递的机制等等已经有了比较深刻的理解。
然而，自然界有些体系的个体虽然具有自发运动的能力，但在没有外界激励的情况下基本保持静止，直到受到超过临界强度的激励后才会发生迁移。同时在弱于临界强度的亚临界区域，通过个体间的互助激发也可诱发集体行为。这类体系可能蕴含着新的集体动力学态及大尺度动力学的普适性规律。新近发表的这项研究工作从实验，理论和模拟多个角度的研究表明这样的亚临界体系中可以产生非常壮观的集体激发，包括独立稳定的涡旋，随机激发的碎波，以及稳定有序的激发波等等集体动力学态。
研究采用的是一种被称为Quincke滚珠的微米胶体电介质颗粒。粒子处于弱导电的有机电介质溶液中，在一定强度的电场激发下，可在导电衬底上发生滚动（如图一）。当电场小于临界电场时，孤立的胶体粒子静止不动，但在周围胶体粒子的互助激励下，可形成亚临界条件下的运动，并通过空间“传染”发生集体运动。图一展示了一些实验体系中发现的亚临界集体激发态。
研究人员通过发展粒子-流场耦合模型，并考虑体系的亚临界特性，结合理论分析和模拟详细的刻划了体系在不同条件下的相态行为（如图二），并与大量的实验观测进行了对比。这些结果表明体系中涡旋和激发波的产生不受制于边界和粒子可能的手性。粒子的运动通过介质流体产生相互作用，在亚临界条件下定向激发，协同产生大尺度下的集体行为。
相关的研究工作不仅表明对于目前流行的Quincke滚珠活性物质模型体系的集体动力学其可靠的理论描述需要考虑滚珠所处的流体带来的相互作用，同时也展示了如何尝试通过与实验结合去研究亚临界活性物质体系的大尺度集体普适性规律这一极具挑战性的理论课题。
该工作获得国家自然科学基金委重点项目，优秀青年基金项目及面上项目的支持。
相关链接：https://www.pnas.org/content/118/40/e2104724118
图一：实验装置示意图及体系中的集体激发，体系中出现了独立稳定的涡旋，甜甜圈，随机激发的碎波，以及稳定有序的激发波等等集体动力学态
图二：模型中亚临界体系的一些集体激发及其及体系的相行为
