活性樟脑颗粒驱动棘轮马达的自发旋转：非平衡态系统中的对称性破缺机制

本研究通过构建樟脑颗粒-棘轮马达系统，创新性地实现了非平衡态背景下随机运动向定向旋转的能量转化。日本同志社大学团队发现当表面密度ρ>0.2 cm-2时，棘轮结构会自发选择优势旋转方向，其机制源于颗粒"摆动穿越"运动与齿轮旋转的协同作用。该研究为开发新型自主驱动系统提供了物理模型，拓展了活性物质在能量采集领域的应用前景。

　　

在自然界和工程领域，如何将无序的随机运动转化为定向机械功始终是科学家们关注的焦点。根据热力学第二定律，均匀的热运动无法直接产生有用功，但生命系统却通过分子马达等精密装置实现了这一奇迹。受此启发，研究人员开始探索宏观尺度的人工系统，试图复制这种能量转换机制。传统方法多采用机械振动或活体细菌作为驱动源，但这些系统存在可控性差、复杂度高等局限。日本同志社大学化学工程与材料科学系的Miku Hatatani等学者在《Chemistry Letters》发表的研究，开创性地利用樟脑颗粒的自主运动特性，构建出具有方向选择性的棘轮马达系统。

研究团队采用3D打印制备非对称齿轮（直径d），在直径D=6.0/9.5 cm的培养皿中进行实验。通过高速摄像和图像分析软件（TEMA/Move-tr/2D）追踪颗粒运动，量化旋转参数ω_spin和T_spin。关键实验技术包括：表面流可视化（使用粉笔示踪）、极性坐标分析（原点为齿轮中心）、以及双向角速度相关分析（定义Ω_z(t)参数）。

【实验现象与密度依赖关系】

当樟脑颗粒表面密度ρ<0.1 cm^-2时，系统呈现双向对称旋转，齿轮转向与颗粒环流方向随机匹配。在0.2<ρ<0.4>^-2区间出现显著变化：T_spin与ρ呈正比，ω_spin保持恒定，且顺时针旋转占主导（占比>80%）。密度继续增大至ρ>0.6 cm^-2时，多颗粒干涉导致T_spin下降。对称齿轮对照实验证实方向选择依赖于棘轮结构。

【摆动穿越机制解析】

高密度条件下（ρ=0.20 cm^-2），轨迹分析发现单个颗粒会周期性"侵入"齿轮凹槽（N_dent=1），形成特征性的摆动穿越运动。这种运动源于颗粒间排斥作用：表面张力梯度驱使颗粒交替进出凹槽。当颗粒位于凹槽时，Marangoni流产生净力矩（短边扭矩>长边扭矩），驱动齿轮顺时针旋转。表面流示踪实验显示，固定颗粒可产生瞬时顺时针波动（0-2 s），验证了扭矩产生机制。

【协同放大效应】

双向相关分析揭示，棘轮齿轮系统中Ω_z(t)与ω(t)主要分布在第三象限，表明颗粒环流与齿轮旋转形成正反馈。这种协同作用区别于传统约束机制：自由旋转的齿轮通过改变周围流场，反过来引导颗粒形成定向环流。当齿轮固定时，环流对称性恢复，证明动态耦合是方向选择的关键。

该研究建立了"活性物质-棘轮结构"动态耦合的新范式，其创新性体现在三个方面：首先，发现密度依赖的对称性破缺转变，确立ρ=0.2 cm^-2为临界参数；其次，阐明摆动穿越运动产生净力矩的物理机制；最重要的是揭示了系统自组织的正反馈原理——齿轮旋转重构流场，流场又强化定向运动。这些发现为设计基于活性物质的自主驱动装置提供了理论框架，在微机械系统和环境能量采集领域具有应用潜力。研究同时指出，过高的颗粒密度（ρ>0.4 cm^-2）会破坏协同效应，这为后续优化提供了参数边界。