活动驱动的被动软嵌体在有源向列体中的自组装

永不静止的液体

设想一种永远不会完全静止的液体——其内部成分持续推动和拉扯，自发产生漩涡和涡流。再想象在这片躁动的海洋中撒入微小的软液滴，问题是：它们会扩散开、排列整齐，还是聚集成团？本研究正是探索这个问题，揭示如何将一种耗能且难以驯服的流体用作构建新型“智能”材料的工具，使其无需外界干预即可自我组织和重构。

忙碌的流体与沉默的乘客

工作集中在一种称为有源向列体的特殊流体上。在此类材料中，微观构件持续消耗能量，哪怕不被搅动也会产生自发流动和湍流。研究者在这一忙碌背景中加入大量被动的软液滴——可以把它们想成不会自行移动的小液滴，但会被周围流体携带和挤压。通过详尽的计算机模拟，他们调整两个主要参数：有源流体的驱动强度（“活性”）以及在给定面积内液滴的填充率（装填分数）。通过扫描这两个参数，他们绘制出描述液滴如何排列的丰富“行为图谱”。

从平静到凝胶再到旋转风暴

在极低活性下，流体近乎平静。液滴大多停留在初始位置，仅被液体中的温和弹性力轻微推动。随着液滴数量增加，它们通过周围流体的细微取向扭曲相互感知，开始形成稀疏链状结构和跨空间的网络，类似于软凝胶。这种凝胶状状态将有源流体困在小口袋中，抑制大尺度运动。然而，当活性超过某一阈值，情况就发生了显著变化。流体产生自发喷射和旋转流动，摇晃并移动液滴。液滴会短暂形成由液体内部取向产生的“无形键”连接的小簇，但同样不安分的喷射也能将这些簇撕散，导致一种群体不断组装与解体的动荡状态。

当混沌使液滴粘在一起

进一步提高活性出现了一个令人惊讶的转折。人们或许会预期更强的流动会更猛烈地散开液滴，但模拟显示了相反的现象：液滴重新组织成单个致密簇，作者将此状态称为“活动驱动的变形诱导相分离”（active-DIPS）。在这里，液滴的柔软性至关重要。强烈的有源流体流动不均匀地挤压正在生长簇外缘的液滴，使其变形并产生有效将所有液滴挤向中心的压力梯度。簇内的液滴被遮蔽于直接流动之外，能够落入类似六角排列的结构。簇保持致密与稳定，而周围流体依然充满湍动，小涡旋围绕其周边盘旋。

调控运动与记忆

作者还研究了液滴随时间的运动以及当有意改变活性（如旋钮式调整）时系统的响应。在低活性下，液滴几乎不移动；在较高活性下，它们随着自生流动扩散穿行。在完全聚集的 active-DIPS 状态中，大块液滴聚集体的移动比湍流态中单个液滴移动得更迟缓。通过追踪液滴的平均位移以及流体与液滴中的动能分配，研究者展示了从平静、凝胶、聚集、湍流到 active-DIPS 的转变，如何以微妙方式依赖于活性与拥挤程度。他们还证明了表面张力——液滴保持光滑圆形的倾向——如果过强会破坏簇结构，因为更刚性的液滴无法承受有源流体带来的强烈挤压。

按需切换结构

一个尤其有趣的结果来自于随时间改变活性而非保持恒定的实验。从完全聚集的 active-DIPS 状态出发，研究者以不同速率逐渐降低活性。如果快速淬火，簇会保持，由周围流体中的缺陷结构将其束缚；如果较慢降低，大片簇会部分融化，形成一个大聚集体加若干散落液滴的混合态；对于非常缓慢的斜率，结构最终完全溶解，系统恢复为无序悬浮态。这种对历史的依赖——最终状态记住了活性的变化路径——提示了一种“编程”材料的方法，可通过调节注入有源流体的能量来在固态样、聚集态和流体样状态之间切换。

对未来材料的意义

归根结底，本文表明可以利用一种混沌且耗能的液体来将软液滴组装成多种有序模式，从凝胶到致密簇，并且液滴的柔软性是使这些结构在高活性下稳定的关键要素。理解活性、表面张力和填充度如何协同作用，为设计自适应软材料提供了蓝图：可改变质地、锁定或按需释放结构的乳状液。此类系统未来可能成为可编程滤材、药物输送平台或受生物启发的装置的基础，其中结构不是固定的，而是由内部流动主动塑造。

引用: 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

关键词: 有源向列体, 自组装, 软液滴, 有源湍流, 智能材料