Активность управляет самосборкой пассивных мягких включений в активных нематиках

Жидкости, которые никогда не сидят на месте

Представьте себе жидкость, которая никогда полностью не успокаивается — её внутренние составляющие постоянно толкают и тянут, самостоятельно вызывая вихри и завихрения. Теперь представьте, что вы посыпаете эту неспокойную среду крошечными мягкими каплями и задаётесь вопросом: рассредотачиваются ли они, выстраиваются в ряды или собираются в кластеры? В этой работе как раз исследуется этот вопрос, показывая, как буйная, потребляющая энергию жидкость может стать инструментом для создания новых «умных» материалов, которые организуются и перенастраиваются без внешнего вмешательства.

Шумная жидкость и тихие пассажиры

Исследование сосредоточено на особом типе жидкости, называемом активным нематиком. В таких материалах микроскопические строительные блоки постоянно расходуют энергию, создавая спонтанные потоки и турбулентность даже без внешнего перемешивания. В это оживлённое фоновое поле авторы помещают множество пассивных мягких капель — представьте крошечные жидкие пузырьки, которые сами по себе не двигаются, но переносятся и сжимаются окружающей средой. С помощью подробных компьютерных симуляций они варьируют два основных параметра: силу привода активной жидкости (ее «активность») и плотность упаковки капель (их долю площади). Сканируя эти параметры, исследователи получают богатую «карту» поведений, описывающую, как капли устроены.

От спокойного моря до гелей и кружащихся штормов

При очень низкой активности жидкость почти спокойна. Капли остаются там, где начали, лишь время от времени сдвигаясь под действием слабых упругих сил в среде. По мере увеличения числа капель они начинают ощущать друг друга через тонкие искажения в окружающем поле, образуя тонкие цепочки и пространственно связную сеть, напоминающую мягкий гель. Это гелеобразное состояние запирает активную жидкость в мелких полостях, подавляя крупномасштабное движение. Однако при переходе активности через порог ситуация меняется драматически. Жидкость генерирует спонтанные струи и виральные потоки, которые толкают капли. Они временно образуют небольшие кластеры, соединённые невидимыми «связями» в ориентации жидкости, но те же самые беспокойные струи могут разорвать эти кластеры, приводя к неустоявшемуся состоянию, где группы постоянно собираются и распадаются.

Когда хаос заставляет капли слипаться

Ещё большее увеличение активности приносит неожиданный поворот. Можно было бы ожидать, что более сильные потоки лишь сильнее разгонят капли, но симуляции показывают обратное: капли реорганизуются в один плотный кластер, режим, который авторы называют фазовым разделением, индуцированным деформируемостью активностью (active-DIPS). Здесь мягкость капель оказывается решающей. Сильные потоки активной жидкости неравномерно давят на капли на внешнем крае растущего кластера, деформируя их и создавая градиент давления, который эффективно выдавливает остальные капли к центру. Внутри кластера капли защищены от прямого потока и могут упорядочиться в структуру, похожую на шестиугольную решётку. Кластер остаётся компактным и стабильным, в то время как окружающая жидкость остаётся турбулентной и живой, с меньшими вихрями, вращающимися вокруг него.

Настройка движения и памяти

Авторы также изучают, как капли перемещаются со временем и как система реагирует, когда активность целенаправленно изменяют, как поворот ручки на приборе. При низкой активности капли едва отклоняются; при более высокой активности они диффундируют в пространстве, переносясь самогенерируемыми потоками. В полностью скластеризованном состоянии active-DIPS крупный агрегат движется медленнее, чем отдельные капли в турбулентном режиме. Отслеживая средние пройденные расстояния капель и сравнивая кинетическую энергию в жидкости и в каплях, исследователи показывают, что переходы между спокойным, гелевым, кластерным, турбулентным и active-DIPS режимами тонко зависят как от активности, так и от степени заполняемости. Они также демонстрируют, что поверхностное натяжение — стремление капель сохранять гладкую округлую форму — может разрушить кластеры при слишком большой жёсткости, потому что более жесткие капли не в состоянии выдержать интенсивное сжатие со стороны активной жидкости.

Переключение структур по требованию

Особенно интересный результат получается при изменении активности во времени, а не при её фиксировании. Начиная с полностью скластеризованного состояния active-DIPS, исследователи постепенно уменьшают активность с разной скоростью. При быстром обрыве активности кластеры выживают, удерживаемые дефектными структурами в окружающей жидкости. При более медленном снижении большой кластер частично «плавится», давая смешанное состояние — крупный агрегат плюс рассеянные капли. При очень медленных спусках структура в конце концов полностью растворяется, и система возвращается в беспорядочную суспензию. Эта зависимость от предыстории — когда конечное состояние «помнит», как менялась активность — наводит на мысль о способе «программировать» материалы, которые можно переключать между твёрдоподобным, кластерным и жидкоподобным состояниями просто путём модуляции того, сколько энергии закачивается в активную жидкость.

Почему это важно для будущих материалов

По сути, в статье показано, что хаотичная, потребляющая энергию жидкость может быть использована для сборки мягких капель в разнообразные упорядоченные структуры — от гелей до плотных кластеров — и что мягкость капель является ключевым фактором, стабилизирующим эти структуры при очень высокой активности. Поняв, как взаимодействуют активность, поверхностное натяжение и упаковка, учёные получают план для проектирования адаптивных мягких материалов: эмульсий, которые могут менять текстуру, фиксировать структуры или отпускать их по требованию. Такие системы в будущем могут лечь в основу программируемых фильтров, платформ для доставки лекарств или био-вдохновлённых устройств, где структура не является фиксированной, а активно формируется потоками внутри вещества.

Цитирование: Sariyar, Y., Akduman, A.U., Negro, G. et al. Activity drives self-assembly of passive soft inclusions in active nematics. Nat Commun 17, 3289 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69704-6

Ключевые слова: активные нематики, самосборка, мягкие капли, активная турбулентность, умные материалы