离散颗粒物质的集团响应与动力学

      平衡态统计物理是现代凝聚态物理和材料物理的基础。结合量子力学，平衡态统计理论在近一个世纪以来对人类科学和技术的进步作出了巨大的贡献。相比平衡态体系，更广泛存在于自然界中的是偏离甚至远离平衡态的系统，最典型的如生命体系。如何从统计物理的角度理解这类体系中结构、动力学和物态变化的规律，从而对其进行有效的调控是目前凝聚态物理研究中的前沿问题。目前对于非平衡态体系的研究正处在探索阶段，主要困难在于缺乏清晰的基本物理框架，无明显结构序以及存在多尺度的复杂动力学现象。从体系偏离平衡态的原因来看，非平衡态体系大致可以分为三类。第一类是体系中存在显著的能量耗散，典型的如宏观颗粒体系。第二类是体系中由于强烈阻挫造成体系无法在较短的时间内达到平衡态的，典型的如玻璃材料。第三类是体系在外场或自身能量的驱动下运动，典型的如生命体系以及活性物质。非平衡态统计物理的研究目标就是建立普适的理论框架来描述和预言各类非平衡态体系的物态变化和动力学行为。

   陈科研究员带领的团队研究了颗粒气体的团聚和相变行为。由于颗粒气体中有强烈的能量耗散，体系动力学在重力作用下迅速冻结，常规实验难以观察到其团聚的微观过程。该团队展开了一系列的微重力条件下的实验对这一行为进行研究，其中包括最近的实践十号卫星上的实验工作。成功观测到颗粒流体的各种微重力团聚状态，包括颗粒麦克斯韦妖现象以及颗粒物质的输运行为，并在理论预言参数范围内观测到颗粒团簇的产生。在地面实验中，研究了双仓颗粒时钟的振荡行为。提出了一种单分散颗粒体系的振荡机制,并给出了振荡产生的量化条件以及普适相图。相关结果为耦合导致集体振荡这一类自然界普遍存在的现象提供了最简单的模型和最直观的理解。

   团队成员在微米级的胶体溶液中研究了胶体玻璃中的结构序以及其与玻璃动力学之间的关联。玻璃化转变的微观机制是一个长期以来悬而未决的科学难题，其中核心的难点问题在于玻璃形成过程中微观结构变化缺乏有效描述，难以建立微观机构与宏观性质之间的关联。在准二维的温敏胶体玻璃中通过调控温度诱发局域形变；分析了形变团簇与玻璃背景的结构差异，发现形变团簇的局域结构熵S2要远高于背景区域，利用局域结构上能够对局域形变的发生作出可靠的预测。由于局域结构熵描述的是局域结构的有序度，研究结果清楚地表明，玻璃中存在着不同的结构有序度，而最容易发生形变的区域是结构相对最无序的区域，与晶体中的缺陷结构特征相同。由此团队首次提出了利用局域结构熵定义S2玻璃中的等效“结构缺陷”的概念。后续的研究发现S2与玻璃化转变过程以及玻璃在外场激励下的动力学分布和演化在时间和空间上都有高度的关联，是玻璃结构序参量的重要候选。这项工作解决了非晶结构描述这一关键问题，是建立有效的非晶结构-性质关联的重要基础。

   陈科研究员等还研究了活性胶体体系中的非平衡动力学现象。活性胶体是由自驱动的胶体粒子组成的多体系统，其中每个粒子能把储存或环境的能量转化为自身的定向运动。活性胶体是最接近生命系统的物理模型体系，表现出众多新奇的结构与动力学行为，例如大尺度的集群运动、奇异的相变行为、反常的流变行为等，同时活性胶体又比实际的生命体系简单，易于控制，因此是研究生命体系中物态变化规律的理想体系。利用近来团队成员发展了多尺度流体模拟方法，重点研究了活性胶体体系中的非平衡动力学以及利用其设计制备活性胶体微流器件。胶体微流器件不是简单的缩小宏观器件到微米尺度，而是需要考虑在微观环境中特殊的物理化学环境；因此团队成员设计了全新概念的扩散流驱动的微观涡轮机，这类微涡轮具有与宏观涡轮机完全不同的工作原理，能够利用微流环境中通常浪费掉的大量热能和化学能运转。进一步，该团队设计了梯度场驱动的微流泵，其中梯度场垂直于流体的运动方向，流体的速度不依赖于通道的长度，原则上能够在无限长毛细管中的稳定输运。在实验上，我们制备了光动量驱动的双稳微观马达，能够在激光的控制下实现定向旋转。这项工作为微流环境中的重要动力器件的制备和操纵提出了一个十分简单有效的方法，能够实现微马达的大批量生产，具有重要的应用前景。该工作被国际同行多次引用，并被《Nanoscale》杂志综述文章介绍。