Density Accelerated Relaxation in Active Passive Colloidal Networks with Competing Interactions
这项研究揭示了在具有竞争性电场介导相互作用的准二维主动-被动胶体混合物中，增加密度反而会由于不对称吸引与排斥作用所驱动的活性重排，从而加速渗流网络机制内的弛豫过程。
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在流体的微观世界中，微小的固体颗粒往往表现得像一个拥挤的舞池，每个人都在试图寻找属于自己的空间。当这些颗粒是“被动”的，即它们只是随液体流动而漂移时，它们有时会粘在一起，形成巨大的、纠缠在一起的网络，被称为“凝胶”。这些凝胶是许多日常材料的骨架，从食物的质地到药物的稳定性皆是如此。然而，一旦形成，这些网络通常会变得僵硬并固定在原地，将它们的结构锁定在时间中，使其难以在不破坏结构的情况下发生改变。科学家们长期以来一直在寻求一种让这些网络保持生命力和适应性的方法，希望通过在颗粒层面注入能量，使它们保持运动和重塑。挑战在于，增加能量往往会导致颗粒分离成团块，而不是形成那样有用且具有空间贯穿性的连接网络。问题在于：是否可以通过诱导一种由运动颗粒和静止颗粒组成的混合物，来形成一个稳定且动态的、可调节和受控的网络？
马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员发现了一种实现这一目标的方法，即创造了一种由两种微观球体组成的独特混合物：一些可以自主运动，另一些则保持静止。他们将这些颗粒置于两块玻璃板之间，并施加了一个快速切换的电场。这个电场就像是一个远程控制器，将这些颗粒变成了微型磁铁。成功的关键在于这些人工磁铁如何相互作用。那些运动的颗粒（其一侧涂有特殊材料）会被静止的颗粒吸引，但会排斥其他运动的颗粒。而静止的颗粒反过来又会互相排斥。这创造了一种微妙的平衡：运动的颗粒充当了连接器，将静止的颗粒连接在一起，而这种排斥作用防止了整个群体塌陷成一个单一的、致密的团块。结果是一个蔓延的、互联的网络，它既能保持形状，又具有足以重新排列自身的流动性。
研究团队接下来的发现是一个违背了通常拥挤颗粒系统规则的惊喜。在大多数高密度材料中，增加更多颗粒会使结构变得更慢、更僵硬，就像随着更多汽车进入道路，交通拥堵变得更加严重一样。然而，在这个特定的网络中，情况却恰恰相反。随着研究人员增加混合物中的颗粒总数，网络并没有变慢；反而变快了。随着密度的增加，结构发生松弛和重新排列所需的时间实际上减少了。这种反直觉的行为表明，该网络不仅仅是一个固定住颗粒的静态网格，而是一个动态系统，其中颗粒聚集的过程本身就触发了一种让它们保持运动的机制。
为了理解为什么会发生这种情况，科学家们仔细观察了颗粒的微观排列。他们发现，随着混合物变得更加稠密，运动的颗粒被迫彼此靠得更近，中间仅由静止的颗粒分隔。由于运动的颗粒彼此排斥，这种拥挤在网络内部创造了一种结构张力或“挫折感”。运动的颗粒不断试图推开它们的邻居，并开始更迅速地旋转和重新定向，以缓解这种压力。这种不断的转动使它们能够从临时的“笼子”中挣脱出来，并推动网络，从而导致整个结构更快速地移动和流动。系统变得越拥挤，这种内部压力就越大，网络的重新排列也就越快。
这项研究证实，通过仔细调节不同类型颗粒之间的相互作用以及提供给它们的能量，可以创造出既稳定又具有高度响应性的材料。研究人员展示了该网络形成了“渗透态”，这意味着它贯穿了整个空间，并且这种状态是由运动颗粒与静止颗粒之间的特定吸引力所维持的。他们排除了这种行为仅仅是由于颗粒随机聚集的结果，证明了这种特定的吸引与排斥模式对于网络的形成以及加速过程的发生是至关重要的。通过绘制出运动颗粒与静止颗粒的比例以及总密度如何影响系统的图谱，他们确定了一个这些活性网络蓬勃发展的特定区间。
这项工作为思考如何设计软材料提供了新的途径。它不再仅仅接受高密度凝胶必须是缓慢且不可改变的事实，而是表明了通过结合活性与相互作用，可以创造出随着变得更加拥挤而变得更加动态的结构。这些发现为工程化设计能够按需调整机械性能的材料提供了清晰的路径，这可能导致新型自修复物质或响应性涂层的诞生。研究人员证明，构建一个快速运动的高密度网络的秘密不在于避免拥挤，而在于利用拥挤产生的张力来驱动持续且受控的运动。
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