Active Reinforcement of Jammed Emulsions by Living Microswimmers
这项研究表明，游动的莱茵衣藻（*Chlamydomonas reinhardtii*）微型游泳者通过一种反馈机制使蓖麻油在水中的堵塞乳液机械性地得到增强，该机制通过液滴限制放大游泳者的推进力，从而通过活动诱导的吸引相互作用使微观结构硬化，使其屈服应力翻倍。
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软物质物理学探索的是一种介于固体与液体之间、既非固体也非液体的奇特中间状态材料，它们具有流动性却又具备结构。想象一下蛋黄酱、牙膏或浓稠的油漆：这些物质在受到足够大的压力时会流动，但在静置时又能保持形状。这种行为通常源于“拥塞”（jamming）现象，即微小颗粒或液滴被挤压得如此紧密，以至于锁在一起，形成了一个刚性网络。科学家们早已了解在仅使用简单的被动成分时是如何发生这种情况的，但通过在其中加入生命，一个新的前沿领域正在开启。问题不再仅仅是颗粒如何拥塞，而是当这些颗粒中挤满了不断推搡并拉扯邻居的微小游动生物时，会发生什么。理解这种相互作用，或许有一天能让我们设计出只需通过开启或关闭内部微观生命的活动，就能改变其强度或质地的材料。
在最近的一项研究中，阿姆斯特丹大学的研究人员通过创造一种浓稠的油性混合物并将其填满活体藻类，研究了正是这种场景。他们首先制备了一种由蓖麻油液滴悬浮在水中的乳液系统，当油占据足够的空间时，该系统自然会变成一种刚性的拥塞固体。随后，研究人员向这种混合物中加入了莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii），这是一种通过摆动两根微小尾巴进行游泳的单细胞藻类。团队创建了三种不同版本的混合物，以测试究竟是什么驱动了材料强度的变化。第一个版本仅包含油和水；第二个版本包含相同的油和水，但加入了被杀死并使其失去运动能力的藻类，使它们像微小的石头一样静止不动；第三个版本则含有活着的、游动的藻类。通过仔细测量使每种混合物发生流动所需的力，研究人员发现，活着的游动者显著增强了材料的强度，在某些情况下使材料的抗流性翻了一倍。而死掉的藻类即便处于完全相同的位置，也几乎没有产生任何影响。这证明了额外的强度并非来自藻类单纯占据的空间，而是来自于它们在游动时所消耗的主动能量。
这种增强的关键在于藻类所经历的紧密挤压。随着研究人员增加混合物中油的含量，液滴靠得越来越近，留给藻类游动的间隙也变得越来越小。团队利用高倍显微镜追踪单个藻类的运动，发现随着间隙缩小，藻类被迫进入由周围油液滴形成的越来越小的“笼子”中。在这些狭窄的空间里，藻类必须更用力地推挤笼子的壁才能移动。这种限制放大了它们对周围网络施加的力量。研究人员发现，约束越强，藻类施加的力量就越大，这反过来又使整个油滴网络变得更加僵硬且难以破碎。这是一个自我强化的循环：拥挤的环境困住了游动者，这种困住使得它们推挤得更用力，而那股额外的推力又将材料锁合得更加紧密。
这一发现挑战了“向混合物中添加生命总会使其更具流动性”的观点。虽然已知某些游泳细菌会使粘稠液体变稀，但这些通过尾部拉动水分的藻类，却起到了使拥塞混合物变硬的作用。研究表明，藻类在油滴之间创造了一种类似于“隐形胶水”的东西，有效地将它们拉拢在一起，使整个结构更具抗破坏性。研究人员通过观察藻类受到的限制程度来估算涉及的力量，他们的计算结果与他们在实验室中测得的额外强度相吻致。这项工作确定了一种反馈机制，即材料的结构控制着生命游动者的行为，而游动者反过来又控制着材料的强度。它为思考软物质开辟了一种新途径，即物质的机械性能可以通过管理其内部微观生命的活动来进行编程或调节。
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