Aggressive Phase Separation in Dense Mixtures of Passive and Active Particles
这项研究表明，遵循类维克（Vicsek-like）规则的被动粒子与主动粒子的混合物在温度淬火后，能够表现出极其快速、甚至可能是指数级的液-液相分离动力学，这种现象是由高系统密度下的速度场粗化所驱动的。
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在物理学的宁静角落，科学家们研究物质如何进行自我组织。当一种不同物质的混合物被冷却时，它往往不再是均匀的“汤”，而是开始分离成不同的区域，就像油和水分离一样。这种被称为“相分离”的过程是一种基本行为，见于从云层的形成到细胞构建其内部结构等各种场景。在普通、被动物质（即那些不会自行移动的事物）的世界里，这些分离区域增长的速度通常是可预测的，并遵循严格的规则。然而，自然界还有更具活力的一面。存在着一类被称为“活性物质”的材料，由能够消耗能量来自行移动的粒子组成，例如鸟群、鱼群或在水滴中游泳的细菌。这些自驱动系统不断处于失衡状态，创造了一个混乱的环境，使得通常的分离规则可能会表现得截然不同。理解这些活性系统如何进行自我组织，不仅对生物学至关重要，也对工程学的未来至关重要，因为科学家希望设计出能够协同工作以建造或修复物品的微型机器人集群。
位于班加罗尔的贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心的一个研究小组，试图通过创建一个包含被动粒子和活性粒子的混合物的数字模型来探索这个谜团。他们想看看如果通过降低温度（他们称之为“温度淬火”）来迫使这种混合物发生分离，会发生什么。在他们的模拟中，被动粒子表现得像标准物质，而活性粒子遵循一个特定的规则：它们会不断尝试将其运动方向与邻居保持一致，从而模拟自然界中看到的集群行为。研究人员观察了系统的演化过程，观察分离出的粒子团块是如何长大的。他们的发现令人震惊。在普通物质中，随着温度下降，分离过程会变慢；然而，这种活性混合物却恰恰相反。当研究人员在模拟中降低温度时，分离区域增长的速度不仅没有减慢，反而剧烈飙升。
这种增长速度如此之快，以至于挑战了物质通常分离方式的标准预期。在典型场景下，即使有流体流动的帮助，分离区域的大小也会以稳定、可预测的速度增长。在这里，研究人员观察到的增长率异常之高，远超单组分活性系统或被动混合物中所见的水平。他们使用先进的数学技术分析了数据，以确保这种速度不是由于计算机模拟规模有限而产生的幻觉。分析证实，这种增长是真实的，并且遵循一种“自相似性”模式，这意味着分离区域的形状在不同时间看起来是相同的，只是在规模上进行了缩放。然而，它们缩放的速度才是令人惊讶之处。研究人员发现，每降低一度温度，增长率就会急剧加速。他们的数据表明，如果温度足够低，分离过程可能会以指数级的速度发生，这种现象在如此高密度的混合物中从未被观察到过。
这种行为之所以特别令人困惑，是因为该混合物非常拥挤。在密集的粒子人群中，人们会预期运动是缓慢且迟钝的，就像试图穿过一个拥挤的房间。然而，在这种活性混合物中，这些自驱动粒子似乎突破了这些障碍，以惊人的力量推动着分离进程。研究人员发现，这种速度的关键在于粒子的运动。在物质团块长大之前，活性粒子已经组织好了它们的速率，朝着协调、统一的方向运动。这种运动的有序化发生得比密度本身的有序化要快得多。看起来，活性粒子通过以流的形式共同运动，能够推动分离区域的边界向前移动，有效地带动了被动粒子随之移动。这种协调运动使系统能够克服拥挤造成的通常阻力，从而导致分离区域的快速合并。
这一发现的影响超出了计算机屏幕。研究人员指出，这些发现可以帮助解释生物系统（如鸟群或细菌群落）如何如此高效地进行自我组织。此外，研究结果为人工集群（如自主机器人组）的设计提供了蓝图。如果工程师能够利用这种机制，他们或许能够通过编程让机器人集群实现以空前的速度和效率进行分离、聚集或建造结构，甚至在拥挤的环境中也是如此。这项研究并不声称已经解决了关于活性物质的所有谜团，也没有提供一个解释为何会发生这种情况的完整理论公式，因为此类系统中各种力量之间复杂的相互作用仍未被完全理解。然而，通过证明活性粒子可以驱动密度极高的物质进行如此快速的相分离，这项工作为自驱动系统的动态潜力开启了一扇新的窗口。它表明，在适当的条件下，活性物质的混乱能量可以被转化为一种强大的、用于组织化的快速力量。
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