异向旋转转子的流体动力学自配对与活性聚合：通往仿生自组装材料的新途径

《Nature Communications》：Hydrodynamic spin-pairing and active polymerization of oppositely spinning rotors

本刊编辑推荐：为解决异质转子群体在有限惯性下的集体动力学问题，研究人员开展了异向旋转转子的流体动力学研究。实验与理论分析表明，异向转子通过流体运动与空间相互作用自发形成活性链结构（gyromers）。该发现揭示了非平衡态下纯流体驱动自组装新机制，为仿生自组装材料（如人工宏观蛋白质）设计提供了新范式。

　　

在自然界中，旋转运动无处不在——从细胞膜中旋转的蛋白质到超流体中的量子涡旋。然而，对于异质转子群体（即包含不同旋转方向的转子）的集体动力学行为，科学界仍知之甚少。传统研究多集中于同向旋转系统，而混合旋转方向群体在有限惯性条件下的行为规律仍是一片未知领域。这一认知空白限制了我们对生物系统中复杂自组装过程的理解，也阻碍了仿生自组装材料的设计开发。

以往研究表明，在理想流体（无粘性）和纯粘性流体两种极限情况下，运动方程具有时间反演对称性，异向旋转转子会自发分离形成同向旋转的密集簇。但在介于两者之间的中间雷诺数区域，由于纳维-斯托克斯方程的非线性特性，系统行为可能发生质变。这一区域同时包含粘性和惯性效应，其复杂性使得理论研究极具挑战性。

针对这一科学问题，特拉维夫大学Naomi Oppenheimer团队在《Nature Communications》上发表了题为“Hydrodynamic spin-pairing and active polymerization of oppositely spinning rotors”的研究论文。该研究通过实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，揭示了在微小但不可忽略的惯性条件下，异向旋转转子群体如何通过纯流体动力学和空间相互作用，自发形成稳定的活性链状结构。

研究人员开发了一套精密的实验系统，每个转子由无刷电机和3D打印圆柱壳构成，漂浮于硅油-空气界面。通过反转电池接线可控制转子顺时针或逆时针旋转（分别标记为粉色和青色）。实验采用两种粘度硅油（μ=1 Pa·s和μ=0.06 Pa·s），对应的雷诺数分别为Re≈0.2和Re≈3，确保系统处于惯性不可忽略的中间状态。通过粒子图像测速技术表征流场，并结合高通量摄像记录转子动力学行为。

关键实验技术方法

研究采用界面悬浮转子系统，通过3D打印定制化转子外壳与边界形状控制流体相互作用；运用粒子图像测速技术量化流场结构；建立包含惯性修正的流体动力学模型，采用五阶/二阶Runge-Kutta算法进行数值模拟；通过软核排斥势处理转子间空间相互作用。

结果分析

转子对相互作用机制

研究发现，两个同向旋转转子会相互排斥并绕轨道运动，轨迹呈扩张螺旋线（图1C）；而异向旋转转子则相互吸引并形成传播的束缚二聚体（图1D）。这种类似于电荷相互作用的径向力源于惯性效应产生的类马格努斯效应升力。理论分析表明，惯性修正项产生的径向速度与ρΩ₁Ω₂a⁶/(μr³)成正比，其中β参数表征惯性作用与粘性作用的相对重要性。

四转子系统动力学

当两个转子二聚体相互靠近时，会短暂形成类似离子晶体的四方结构（图3A-C），但由于系统的动态特性，这种晶格结构极不稳定，迅速重组为新的二聚体或形成四转子陀螺聚合物（tetramer）。数值模拟成功重现了这一动态重组过程（图3J-L），表明惯性力对陀螺聚合物的稳定性起关键作用。

环形结构形成与演化

初始环形排列的转子会迅速解离为二聚体和三聚体等“构建单元”，随后重新组装为更长的陀螺聚合物（图3G-I）。这种动态行为与静态磁偶极子系统形成鲜明对比，后者可形成稳定的环形结构。在低粘度条件下，环形结构的稳定性持续时间更长，表明惯性效应促进了结构的动态重组。

多转子系统的统计特性

随转子浓度增加，系统进入动态稳态，陀螺聚合物持续碰撞和重组。高粘度条件下（β=0.3），平均链长随浓度先增后减；低粘度条件下（β=5），即使高浓度下也倾向于形成单长链（图4B）。陀螺聚合物的角速度与链长满足θ˙∝1/N³关系（图4A），这是由于长链中远端转子对中心转子的净扭矩贡献占主导地位。相空间分析显示（图4C），β<0.1时系统处于粘性主导区，无法形成陀螺聚合物；β≈0.3时二聚体最稳定；β≈1时在面积分数φ<20%范围内可形成长链；β>10时出现陀螺聚合物、晶格和环状结构的混合态。

稳定性分析

陀螺聚合物的稳定性受个体转子角速度方差影响显著（图5B）。当转子间角速度差异超过20%时，聚合物开始解离。实验观察到电池衰减导致的转子失速是聚合物解体的主要原因（图5C）。有趣的是，模拟显示适当噪声反而增强稳定性，说明系统具有噪声诱导稳定特性。

研究结论与意义

本研究首次揭示了异向旋转转子在有限惯性条件下通过纯流体动力学作用自发形成活性链结构的现象。与同向转子形成的六方晶格不同，异向转子系统表现出类似聚合物的分级自组装特性：先形成转子二聚体，再组装为可传播的线性链。这种被称为“陀螺聚合物”的结构由流体运动和空间相互作用共同稳定，其动力学行为受惯性参数β调控。

该发现突破了传统自组装研究中对各向同性构建单元的依赖，展示了纯流体驱动对称性破缺的新机制。陀螺聚合物的形成不依赖外场或表面修饰，为理解生物系统中复杂结构的自组织原理提供了新视角。在应用层面，这种非平衡自组装策略为设计人工宏观蛋白质等仿生材料开辟了新途径。未来通过调控惯性参数和边界条件，可能实现更复杂的二级结构（如晶格和环状）自组装，推动活性物质研究向功能化材料设计迈进。