Collective self-sorting on a chip

分类是一种基本的组织行为，是让杂乱无章的不同事物找到其位置的过程。在物理学那静止的微观世界里，系统处于静止状态，这种组织通常是因为组分沉降到了能量最低的状态，就像石头沉入池塘底部一样。但世界很少是静止的。在那些不断运动并消耗能量的系统中——科学家称之为“活性物质”（active matter）——规则发生了改变。在这里，粒子并不等待热量给予的轻微推动来移动；它们通过自身驱动来移动。当这些自驱动粒子与运动方式不同的其他粒子混合时，它们会自发地分离，这并非因为它们疲惫了，而是因为它们的运动本身就在将彼此推开。这种现象提供了一种无需外部筛网或复杂机械即可对微观物体进行分类的新方法，而是依靠粒子自身的行为来完成工作。

莱顿大学的一个研究小组现在已将这一原理转化为一个实用的设备：一种微流控芯片，它仅通过引导混合了微小自驱动粒子的物质通过一条弯曲路径来进行分类。科学家们最初使用的是两种类型的微型滚子，一种由聚苯乙烯制成，另一种由一种名为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的不同塑料制成。当这些粒子被置于特定的液体中并受到电场作用时，它们开始在表面上滚动，形成一个密集且旋转的人群。研究人员发现，如果两类粒子的运动速度不同，它们就会自然分离：速度较快的粒子会迁移到旋转圈的外缘，而速度较慢的粒子则聚集在中心。这种分离并非由粒子的尺寸或材质固定，而是完全由它们的运动速度差异驱动的。通过调节电场，团队甚至可以反转哪种类型的粒子速度更快，从而瞬间翻转排序模式，使新的领先者占据外环。

为了准确理解这种分离是如何运作的以及如何使其发挥作用，研究人员建立了一个计算机模型，模拟了数千个此类粒子的行为。他们证实，仅靠速度差异就足以驱动分离，即使在粒子尺寸不同的情况下也是如此。模拟还揭示了一个关于容器形状的关键细节：当粒子被限制在紧凑的弯曲空间内时，分离效率最高。一个大的、开放的圆圈虽然能让分离发生，但需要很长时间；而一个更小、更紧凑的圆圈则迫使粒子更快地重新组织。这一洞察引出了一个关键的设计原则：为了快速有效地分类粒子，应该使用一系列小的弯曲通道，而不是一个大的房间。

随后，研究人员将这些发现转化为了一个物理设备。他们设计了一个由连续弯曲部分组成的蜿蜒蛇形通道芯片。当混合悬浮液流入设备时，较快的粒子会被推向每个曲线的外壁，而较慢的粒子则被推向内壁。在每个弯曲部分的末端，一堵小墙会将快速粒子的外流导向一个出口，并将慢速粒子的内流导向另一个出口。团队利用真实的粒子测试了这一设计，将混合悬浮液注入芯片中。当粒子流经设备的十个弯曲单元时，分离效果随着每一次转弯而变得更加显著。当粒子到达末端时，两类粒子已基本被分类成截然不同的流，较快的粒子被收集在一个出口，而较慢的粒子则在另一个出口被收集。

这项工作证明了可以利用活性粒子的集体行为来创造一种连续、自主的分类机。该设备不需要复杂的运动部件或外部场来分离组分，一旦流动开始，通道的几何形状和粒子自身的运动能力就会完成剩下的工作。研究人员表明，通过仔细调整路径的曲率和内部墙的位置，他们可以控制分离流的纯度以及成功收集的粒子数量。虽然该设备是用特定类型的自驱动粒子进行测试的，但其底层原理表明，了一种基于运动速度来分离微观物体的新途径，为未来需要温和、连续分类的微流控应用领域提供了潜在工具。