DC电场的出现，如何驱动粒子运动和流体流动？

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本节简要介绍了静态和时间振荡电场中粒子驱动的不同机制，以及它们产生活性可重构材料。DC电场在液体电解质中感应出稳定的离子电流，该离子电流通过不同的机制影响分散粒子的运动，这取决于所施加的场强和两相及其界面的性质。

静电场的应用通过电泳引起胶体粒子的定向迁移外场作用于带电粒子表面和周围双层中的中和抗衡离子，以驱动流体流动。对于薄双层和/或各向同性粒子的常见情况，所产生的粒子运动是无力的，并且方向平行于场。

尽管电泳具有耗散、无外力的特性，但它很少被认为是一种自我推进的形式，因为运动的方向是由外场决定的。

相比之下，足够高的场强会导致对称性破缺不稳定性，这为DC场中的活性胶体提供了基础。E ≫ kBT/电子艺界游戏公司由于粒子表面的场感应充电的非线性贡献可以导致垂直于马格努斯效应的电动模拟中的场的旋转和平移。

在临界场强以上，由于所谓的Quincke不稳定性，静电场可以推动导电流体中绝缘粒子的稳定旋转。

所施加的场在颗粒表面诱导偶极电荷分布，这引导电流围绕颗粒流动。这个偶极子与磁场反向平行，当粒子旋转速度超过偶极子充电速度时，偶极子变得不稳定。

对于无界流体中的绝缘球体，标准的漏介电模型预测磁场强度超过临界值时的稳定旋转，Ec= 8η/τεp，其中εp是粒子介电常数，η是流体粘度，τ = ε/σ是电荷弛豫时间在实践中，这种情况在弱导电介电流体(如AOT-十六烷混合物)中实现，其临界场小于流体的介电强度。

平面电极上方的昆克旋转为自推进辊在垂直于施加场的平面内移动。基于Quincke旋转的胶粒群由于颗粒之间的流体动力学和电学相互作用而形成动态集合，例如絮凝物和漩涡。

这种昆克辊被限制在微流体跑道内，以共同的方向组织和移动，让人想起鸟群和鱼群相邻滚筒之间的流体动力相互作用使颗粒旋转同步并对齐，从而产生抑制了速度和密度波动的极性液体。

一旦形成，这种极性絮凝物的方向可以通过短暂停止和重新施加外场而逆转即使在滚动所需的临界场以下。

相邻粒子之间的静电相互作用也会触发昆克不稳定性，从而产生活动波和旋转涡旋以及其出现的模式当被液滴的可变形边界限制时，由于粒子活动和液滴形状之间的双向耦合。

昆克辊驱动形状波动、液滴推进和分裂在高场强下，昆克辊可以表现出往复振荡运动，这为具有自振荡单元的活性物质提供了基础。

具有零时间平均值的交流电场有效地消除了线性DC效应，例如电泳，从而隔离了非线性电动现象，例如介电泳和感应电荷电泳(ICEP ),其与所施加的电场的平方成比例。

由于粒子核心及其离子双电层的极化，对胶体粒子施加AC电场产生振荡偶极子。

这种偶极扰动的幅度和相位取决于驱动场相对于极化固有弛豫时间的频率。

电场梯度在这种粒子上引起时间平均力，驱动它们迁移到高场强区域或从高场强区域迁移出这种正或负介电泳的过程对于操纵胶体和引导它们的组装然而，这种保守力并不是粒子活动的来源。

相比之下，由于场对双电层中的场感应电荷的影响，AC场也在颗粒表面产生流体流动这些流动被称为感应电荷电渗，可以通过粒子不对称来推动活性胶体的自由运动。

各向异性粒子在交流电场中表现出自推进运动，称为ICEP在一项开创性的研究中。观察到金属电介质Janus球由于在它们各自的半球上诱发的不对称流动而垂直于施加的场推进它们自己像泳动推进一样，这种运动和其他ICEP运动都受到粒子对称性的限制。

由ICEP推动的不对称粒子通过静电、流体力学和电泳相互作用的组合，相互作用并与邻近的边界相互作用。

梨形胶体在平面电极上游动，这是由于在固体-电解质界面此外，颗粒之间的偶极-偶极相互作用引导它们组装成手性团簇，手性团簇按照由其旋向性决定的优选方向旋转类似地。

静电相互作用的不平衡结合流体动力可以引导金属介电Janus颗粒组装成复杂的结构和相这些动态组件可以通过调整所施加的频率和离子强度来设计。

以控制推进和相互作用的竞争机制之间的平衡这种可调的相互作用最近已经应用在微型机器人的环境中，其中由ICEP推进的Janus粒子根据需要捕获和释放胶体货物。

在过去的十年中，活性胶体的合成和设计取得了重大进展。这些耗散系统的动态组合继续为其集体行为的基本原则提供新的见解。

下一代活性胶体将定义未来十年的研究方向，将专注于上面介绍和下面讨论的三个关键领域——特别是作为模型、材料和机器的活性胶体。

这些胶体系统及其涌现行为的持续发展将解决非平衡热力学、生命物质中的输运现象和微机器人等领域的问题并面临挑战。

正如上面许多例子所证明的，活性胶体是发现和研究非平衡多体系统突现行为的有用的实验模型。这种模型的目的是协调、解释和预测观察到的宏观行为，如相分离、自组装和聚集，根据其单个组分的性质、相互作用和活性。

对于形成平衡相的系统，热力学和统计力学的工具提供了一条在长度和时间上跨越许多尺度的微观和宏观描述之间的老路。

在一些(更有限的)条件下，这些概念可以适用于使用有效的热力学变量和势来描述活性物质失去平衡的宏观行为。

这种近似的局部有效性取决于时间反转对称性在特定长度和时间尺度范围内对特定自由度的保留程度。

还需要更多的研究来确定平衡描述是否有效以及何时有效，并将“有效的”热力学量与粒子级动力学联系起来。

活性胶体的实验研究——例如，磁性粒子的场驱动相分离——可以为回答这些问题提供有价值的见解。

作为热力学观点的补充，流体动力学描述于守恒原理，对称性和本构关系提供了理解活性胶体流体宏观行为的另一个框架。

最近对由旋转铁磁胶体形成的手性流体的实验例证了这种方法由于旋转场，流体打破了宇称和时间反转对称性结果，控制活性手征流体的流体动力学方程包含新的贡献，例如奇粘度，这是简单液体所没有的。

这些贡献的证据发现于旋转胶体流体的自发自由表面流动奇弹性的相关报道进一步强调了活性胶体作为模型系统在阐明非平衡物理新原理。

由活性组分组装而成的胶体材料能够实现在其平衡对应物中难以或不可能实现的功能性质和行为。

通过打破细节平衡，活性材料能够通过不同的途径组装和分解，从而对结构和动力学提供更大的控制。

通过持续的能量耗散来维持的结构可以表现出改进的修复缺陷和愈合损伤的能力。

主动组件的动态稳定性允许许多稳定结构的共存，并提供了在它们之间重新配置的机会。

特别是，执行不可逆变形的材料会对其周围环境施加应力，从而驱动工作和/或运动。

引导主动组件的耗散过程引入了新的长度和时间尺度，可用于编码材料的大小和形状。活性胶体材料的潜在能力最好由生命物质的显著功能来说明。

尽管它们有潜力，但设计和控制活性胶体以实现目标功能仍然具有挑战性。在追求日益复杂的材料行为的过程中，可能的构建模块和驱动领域的设计空间变得越来越大。需要基于改进的模型、高通量实验和机器学习方法的新策略来有效地导航这个空间以寻找功能设计。

与此同时，基于简单结构单元的活性胶体的实验研究有助于增加我们的理解和启发材料设计的启发式策略。

基于粒子位置的实时感测来操纵外场的能力提供了对胶体材料的结构和动力学进行反馈控制的机会给定传感信息(例如，来自光学显微镜)，学习的控制策略选择适当的驱动场来实现功能目标，例如无缺陷晶体的组装基于外部感测和致动的类似方法可用于设计、创建和控制具有目标结构和动态的主动组件。

活性胶体为在结构化环境中移动并合作执行目标功能的微型机器人提供了基础可以说，最先进的微型机器人演示使用由时变磁场驱动和控制的磁性粒子。

由超顺磁性成分原位组装的胶体微轮可以沿着血管壁滚动以破坏凝块铁磁立方体的线性组件产生场响应微夹钳。

其闭合和打开以捕获和释放胶体货物向列液晶中的四臂磁性微型机器人与其局部环境相互作用，以将货物运输到目标位置成群的铁磁性胶体使用多个驱动场来产生不同的组织模式，使它们能够执行多种任务，例如导航通道和运输货物

当前的微型机器人通常使用外部反馈机制来控制它们的运动，如微型牵线木偶相比之下，传感、驱动和控制的原始形式可以直接编码到活性胶体的物理化学动力学中。

化学燃料粒子可以通过响应于化学浓度的局部梯度定向它们的推进来自主导航(即，没有外部控制)，光强度，以及流体速度，以及其他刺激。

下一代微型机器人应该结合专用的传感模式，以实现对其本地环境的更好的感知在这些感官输入的条件下，自主微型机器人应该能够在多个候选响应之间“做出决定”——例如，停止、前进、捕捉和释放。

为此，需要进一步的研究来开发具有基于内部状态和反馈机制的原始“大脑”的活性胶体最后，为了执行它们的决定。

微型机器人需要多种模式的驱动，以适应手头的任务——例如，在人体内游泳，导航到肿瘤部位，并释放治疗载荷。

展望未来，活性粒子群可以用来建造胶体机器模糊了材料和微型机器人之间的界限，从而创造出由胶体制成的机器人这一愿景受到活生物体的启发，在活生物体中。

无意识(但设计良好)的分子机制(如运动蛋白)组织起来形成无意识(但越来越智能)的组件，如细胞骨架，这些组件在细胞和组织的复杂层次中聚集在一起，以实现生物功能。

参考文献

《模型、材料和机器的活性胶体》