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奇物论
2022-08-24
我们知道，当将水和酒兑在一起，这两种液体将永远保持完美混合。但如果将油和醋混合制成香醋，油和醋很快就会分离回原来的样子。这种液-液相分离是一种热力学驱动的现象，在许多生物过程中发挥着重要作用。尽管在宏观尺度上注入能量可以逆转相分（如，强烈的震动），但关于在微观水平上添加的能量对相分离的影响知之甚少。这个基本问题具有深远的影响，特别是在生物学中，因为活跃的过程也使活细胞的内部不同于死细胞。近日，加州大学圣塔芭芭拉分校Zvonimir Dogic、M. Cristina Marchetti等人研究了微观尺度的机械活动如何影响液-液相分离并允许液体爬升表面。
为了研究液-液相分离现象，作者使用了聚合物聚乙二醇 (PEG) 与葡聚糖的混合物。由于 PEG 和葡聚糖都具有生物相容性，因此它们可以与功能性蛋白质纳米马达（驱动蛋白）结合使用。PEG-葡聚糖可以在富含葡聚糖的相中相分离成富含 PEG 的液滴。此外，PEG 和葡聚糖表现出超低的表面张力，其中它们的相界比油水混合物中的脆弱一千倍，并且在机械应力最小的情况下变形。研究人员研究了在微观尺度上注入的能量如何影响PEG和葡聚糖之间的相分离。为了做到这一点，他们让流体变得“活跃”-也就是说，流体中含有通过向流体中添加驱动蛋白分子马达和微管来施加力的单个成分，这种组合以前已经做过。在驱动蛋白分子马达的驱动下，微管不断地相互滑过，导致流体内部出现混乱的流动。这些流动的强度表征了流体的活动。当将驱动蛋白和微管添加到经历相分离的PEG-葡聚糖流体中时，驱动蛋白马达和微管仅位于葡聚糖相，而PEG相保持被动。
作者观察了浸入由驱动蛋白马达驱动的活性流体中的PEG被动液滴的行为。在流体的中等活性下，在相分离过程中PEG液滴的生长似乎比在被动系统中更快。葡聚糖相中的活性增强了PEG 液滴的运动，有利于液滴相互碰撞和合并。实际上，该系统就像一个热水浴。出乎意料的是，在高活性下，PEG液滴停止生长，相分离停止。此时，流体混合物达到稳定状态，其中较大的液滴以与较小液滴合并形成大液滴的相同的速度脱落较小的液滴。作者认为，两相之间边界的变形是由流体的主动应力与PEG和葡聚糖两相之间的表面张力竞争引起的。当界面波沿着 PEG-葡聚糖边界行进时，可以观察到这种竞争，并且界面显示出巨大的形状波动。该模型与基于流体动力学模型的模拟一致，该模型与观察结果一致，此外还允许估计主动应力，这是活性系统力学的一个基本但难以捉摸的参数。
根据他们的结果，作者随后提供了一个示例，说明如何利用液体的主动应力来创造一种“超级”流体，在这种流体中，内力使活性流体能够克服重力爬升——几乎像超流体，但物理原因却大不相同。这种液体可以用作活性、变形软材料的实验平台。这项研究的另一个显著特点是热力学和活性物质之间建立的联系。活性物质是一个研究领域，专注于大量活性剂的新兴和动态特性，如一群椋鸟或细菌群。这些系统可以在自然界的所有长度和时间尺度上找到。在过去十年中，该领域经历了一次飞跃，在合成和生物学方面都取得了重要的实验进展，并在概念上取得了突破，突出了聚集行为、非平衡相分离以及拓扑和拓扑缺陷在控制活性系统动力学中的作用。该研究为活性物质开辟了新视野，其中活性相可以施加力并产生流动来控制被动系统的行为。活性物质构成了一个强大的工具箱，可以设计物质的新阶段，利用主动阶段与“被动阶段”的相互作用。对这些混合材料的研究解决了基本问题，例如活动在控制相图或促进没有传统等效物的物质相中的作用。活性对液-液相分离热力学的影响仍然是一个悬而未决的问题。主动应力可以耦合到被动成分并控制它们的组织。它在生物学中的相关性以及适应性软材料和机器的设计仍有待探索。一个相当大的挑战是建立实验平台来设计和研究物质的这些阶段。这项工作是朝着这个方向迈出的重要一步。研究主动阶段和被动阶段之间丰富的相互作用——这是一个未知的领域，对于其他人来说将是鼓舞人心的。1.R. Adkins et al., Dynamics of active liquid interfaces. Science 377, 768 (2022).DOI: 10.1126/science.abo5423https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo54232. A soft active matter that can climb walls. Science 2022.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9202
