DC電場的出現，如何驅動粒子運動和流體流動？

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本節簡要介紹了靜態和時間振蕩電場中粒子驅動的不同機制，以及它們產生活性可重構材料。DC電場在液體電解質中感應出穩定的離子電流，該離子電流通過不同的機制影響分散粒子的運動，這取決於所施加的場強和兩相及其界面的性質。

靜電場的應用通過電泳引起膠體粒子的定向遷移外場作用於帶電粒子表面和周圍雙層中的中和抗衡離子，以驅動流體流動。對於薄雙層和/或各向同性粒子的常見情況，所產生的粒子運動是無力的，並且方向平行於場。

儘管電泳具有耗散、無外力的特性，但它很少被認為是一種自我推進的形式，因為運動的方向是由外場決定的。

相比之下，足夠高的場強會導致對稱性破缺不穩定性，這為DC場中的活性膠體提供了基礎。E ≫ kBT/電子藝界遊戲公司由於粒子表面的場感應充電的非線性貢獻可以導致垂直於馬格努斯效應的電動模擬中的場的旋轉和平移。

在臨界場強以上，由於所謂的Quincke不穩定性，靜電場可以推動導電流體中絕緣粒子的穩定旋轉。

所施加的場在顆粒表面誘導偶極電荷分佈，這引導電流圍繞顆粒流動。這個偶極子與磁場反向平行，當粒子旋轉速度超過偶極子充電速度時，偶極子變得不穩定。

對於無界流體中的絕緣球體，標準的漏介電模型預測磁場強度超過臨界值時的穩定旋轉，Ec= 8η/τεp，其中εp是粒子介電常數，η是流體粘度，τ = ε/σ是電荷弛豫時間在實踐中，這種情況在弱導電介電流體(如AOT-十六烷混合物)中實現，其臨界場小於流體的介電強度。

平面電極上方的昆克旋轉為自推進輥在垂直於施加場的平面內移動。基於Quincke旋轉的膠粒群由於顆粒之間的流體動力學和電學相互作用而形成動態集合，例如絮凝物和漩渦。

這種昆克輥被限制在微流體跑道內，以共同的方向組織和移動，讓人想起鳥群和魚群相鄰滾筒之間的流體動力相互作用使顆粒旋轉同步並對齊，從而產生抑制了速度和密度波動的極性液體。

一旦形成，這種極性絮凝物的方向可以通過短暫停止和重新施加外場而逆轉即使在滾動所需的臨界場以下。

相鄰粒子之間的靜電相互作用也會觸發昆克不穩定性，從而產生活動波和旋轉渦旋以及其出現的模式當被液滴的可變形邊界限制時，由於粒子活動和液滴形狀之間的雙向耦合。

昆克輥驅動形狀波動、液滴推進和分裂在高場強下，昆克輥可以表現出往複振蕩運動，這為具有自振蕩單元的活性物質提供了基礎。

具有零時間平均值的交流電場有效地消除了線性DC效應，例如電泳，從而隔離了非線性電動現象，例如介電泳和感應電荷電泳(ICEP ),其與所施加的電場的平方成比例。

由於粒子核心及其離子雙電層的極化，對膠體粒子施加AC電場產生振蕩偶極子。

這種偶極擾動的幅度和相位取決於驅動場相對於極化固有弛豫時間的頻率。

電場梯度在這種粒子上引起時間平均力，驅動它們遷移到高場強區域或從高場強區域遷移出這種正或負介電泳的過程對於操縱膠體和引導它們的組裝然而，這種保守力並不是粒子活動的來源。

相比之下，由於場對雙電層中的場感應電荷的影響，AC場也在顆粒表面產生流體流動這些流動被稱為感應電荷電滲，可以通過粒子不對稱來推動活性膠體的自由運動。

各向異性粒子在交流電場中表現出自推進運動，稱為ICEP在一項開創性的研究中。觀察到金屬電介質Janus球由於在它們各自的半球上誘發的不對稱流動而垂直於施加的場推進它們自己像泳動推進一樣，這種運動和其他ICEP運動都受到粒子對稱性的限制。

由ICEP推動的不對稱粒子通過靜電、流體力學和電泳相互作用的組合，相互作用並與鄰近的邊界相互作用。

梨形膠體在平面電極上遊動，這是由於在固體-電解質界面此外，顆粒之間的偶極-偶極相互作用引導它們組裝成手性團簇，手性團簇按照由其旋向性決定的優選方向旋轉類似地。

靜電相互作用的不平衡結合流體動力可以引導金屬介電Janus顆粒組裝成複雜的結構和相這些動態組件可以通過調整所施加的頻率和離子強度來設計。

以控制推進和相互作用的競爭機制之間的平衡這種可調的相互作用最近已經應用在微型機械人的環境中，其中由ICEP推進的Janus粒子根據需要捕獲和釋放膠體貨物。

在過去的十年中，活性膠體的合成和設計取得了重大進展。這些耗散系統的動態組合繼續為其集體行為的基本原則提供新的見解。

下一代活性膠體將定義未來十年的研究方向，將專註於上面介紹和下面討論的三個關鍵領域——特別是作為模型、材料和機器的活性膠體。

這些膠體系統及其湧現行為的持續發展將解決非平衡熱力學、生命物質中的輸運現象和微機械人等領域的問題並面臨挑戰。

正如上面許多例子所證明的，活性膠體是發現和研究非平衡多體系統突現行為的有用的實驗模型。這種模型的目的是協調、解釋和預測觀察到的宏觀行為，如相分離、自組裝和聚集，根據其單個組分的性質、相互作用和活性。

對於形成平衡相的系統，熱力學和統計力學的工具提供了一條在長度和時間上跨越許多尺度的微觀和宏觀描述之間的老路。

在一些(更有限的)條件下，這些概念可以適用於使用有效的熱力學變量和勢來描述活性物質失去平衡的宏觀行為。

這種近似的局部有效性取決於時間反轉對稱性在特定長度和時間尺度範圍內對特定自由度的保留程度。

還需要更多的研究來確定平衡描述是否有效以及何時有效，並將「有效的」熱力學量與粒子級動力學聯繫起來。

活性膠體的實驗研究——例如，磁性粒子的場驅動相分離——可以為回答這些問題提供有價值的見解。

作為熱力學觀點的補充，流體動力學描述於守恆原理，對稱性和本構關係提供了理解活性膠體流體宏觀行為的另一個框架。

最近對由旋轉鐵磁膠體形成的手性流體的實驗例證了這種方法由於旋轉場，流體打破了宇稱和時間反轉對稱性結果，控制活性手征流體的流體動力學方程包含新的貢獻，例如奇粘度，這是簡單液體所沒有的。

這些貢獻的證據發現於旋轉膠體流體的自發自由表面流動奇彈性的相關報道進一步強調了活性膠體作為模型系統在闡明非平衡物理新原理。

由活性組分組裝而成的膠體材料能夠實現在其平衡對應物中難以或不可能實現的功能性質和行為。

通過打破細節平衡，活性材料能夠通過不同的途徑組裝和分解，從而對結構和動力學提供更大的控制。

通過持續的能量耗散來維持的結構可以表現出改進的修復缺陷和癒合損傷的能力。

主動組件的動態穩定性允許許多穩定結構的共存，並提供了在它們之間重新配置的機會。

特別是，執行不可逆變形的材料會對其周圍環境施加應力，從而驅動工作和/或運動。

引導主動組件的耗散過程引入了新的長度和時間尺度，可用於編碼材料的大小和形狀。活性膠體材料的潛在能力最好由生命物質的顯著功能來說明。

儘管它們有潛力，但設計和控制活性膠體以實現目標功能仍然具有挑戰性。在追求日益複雜的材料行為的過程中，可能的構建模塊和驅動領域的設計空間變得越來越大。需要基於改進的模型、高通量實驗和機器學習方法的新策略來有效地導航這個空間以尋找功能設計。

與此同時，基於簡單結構單元的活性膠體的實驗研究有助於增加我們的理解和啟發材料設計的啟發式策略。

基於粒子位置的實時感測來操縱外場的能力提供了對膠體材料的結構和動力學進行反饋控制的機會給定傳感信息(例如，來自光學顯微鏡)，學習的控制策略選擇適當的驅動場來實現功能目標，例如無缺陷晶體的組裝基於外部感測和致動的類似方法可用於設計、創建和控制具有目標結構和動態的主動組件。

活性膠體為在結構化環境中移動併合作執行目標功能的微型機械人提供了基礎可以說，最先進的微型機械人演示使用由時變磁場驅動和控制的磁性粒子。

由超順磁性成分原位組裝的膠體微輪可以沿着血管壁滾動以破壞凝塊鐵磁立方體的線性組件產生場響應微夾鉗。

其閉合和打開以捕獲和釋放膠體貨物向列液晶中的四臂磁性微型機械人與其局部環境相互作用，以將貨物運輸到目標位置成群的鐵磁性膠體使用多個驅動場來產生不同的組織模式，使它們能夠執行多種任務，例如導航通道和運輸貨物

當前的微型機械人通常使用外部反饋機制來控制它們的運動，如微型牽線木偶相比之下，傳感、驅動和控制的原始形式可以直接編碼到活性膠體的物理化學動力學中。

化學燃料粒子可以通過響應於化學濃度的局部梯度定向它們的推進來自主導航(即，沒有外部控制)，光強度，以及流體速度，以及其他刺激。

下一代微型機械人應該結合專用的傳感模式，以實現對其本地環境的更好的感知在這些感官輸入的條件下，自主微型機械人應該能夠在多個候選響應之間「做出決定」——例如，停止、前進、捕捉和釋放。

為此，需要進一步的研究來開發具有基於內部狀態和反饋機制的原始「大腦」的活性膠體最後，為了執行它們的決定。

微型機械人需要多種模式的驅動，以適應手頭的任務——例如，在人體內游泳，導航到腫瘤部位，並釋放治療載荷。

展望未來，活性粒子群可以用來建造膠體機器模糊了材料和微型機械人之間的界限，從而創造出由膠體製成的機械人這一願景受到活生物體的啟發，在活生物體中。

無意識(但設計良好)的分子機制(如運動蛋白)組織起來形成無意識(但越來越智能)的組件，如細胞骨架，這些組件在細胞和組織的複雜層次中聚集在一起，以實現生物功能。

參考文獻

《模型、材料和機器的活性膠體》