活性乳液扰动动力学及其集体行为的磁控机制研究

为解决活性乳液自推进与集体行为难以控制的问题，研究人员通过嵌入磁性纳米簇实现Marangoni流动的定向调控，揭示了固-液取向耦合机制，实现了液滴的磁控转向、旋转及集体行为扰动，为模拟微生物运动及开发智能微机器提供了新策略。

　　

在微观世界中，单细胞微生物展现出令人惊叹的感知、运动和化学通信能力。活性乳液（如水相中的油滴）作为这些微生物的简化模型，通过Marangoni流动（由界面张力梯度驱动的流体运动）实现自推进和集体行为。然而，由于流动的自发性和流体特性，控制其动力学仍面临巨大挑战。现有策略多依赖于特定材料（如手性表面活性剂或油分子）或预设环境条件，且难以推广至集体行为调控。此外，如何在保持液滴间化学趋化相互作用的前提下精确操控其运动，仍是未解难题。

为此，来自马克斯·普朗克智能系统研究所的Muhammad Turab Ali Khan等研究人员在《Matter》发表了题为“Perturbing dynamics of active emulsions and their collectives”的研究论文。他们提出了一种通用策略：通过在油滴内嵌入磁性纳米簇（FePt纳米颗粒聚集体），利用外磁场调控其取向，进而重构液滴内部的Marangoni流动，最终实现对单个液滴及集体行为的精确控制。

研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.

   磁性纳米簇合成与表征：通过高温有机相法合成L1₀相FePt纳米颗粒，并验证其强铁磁性。

2. 2.

   液滴制备与操控：采用震荡乳化法将磁性簇封装于不同油相（如8CB、5CB、1-溴十二烷等），在特定表面活性剂溶液（如TTAB、Triton X-100）中形成自推进液滴。

3. 3.

   流体动力学分析：结合粒子图像测速技术（PIV）和计算流体动力学（CFD）模拟，量化外部磁场作用下液滴内部及周围流场的变化。

4. 4.

   集体行为调控实验：通过设计几何约束环境（如微腔室）和磁场编程（静态/旋转场），研究液滴对、链状集合及静态集群的响应。

5. 5.

   化学相互作用研究：利用 predator-prey（捕食者-猎物）液滴对（BrOCT与MFB）模型，分析油交换相互作用与磁控操作的耦合效应。

动态组装磁性簇于自推进液滴内部

研究人员将FePt纳米簇封装于8CB（4-辛基-4′-氰基联苯）液滴中，分散于高浓度TTAB（十四烷基三甲基溴化铵）溶液。在低于33.5°C时，液滴处于近晶A相（Smectic-A），无自推进行为；加热至37°C（向列相，Nematic）后，表面活性剂 solubilization（溶解作用）引发Marangoni流动，驱动液滴运动。磁性簇被流动吸附至液滴前缘，并与推进方向保持60°–90°的振荡夹角。CFD模拟表明，该动态取向由液滴内部压力梯度与界面剪切力的平衡稳定。

磁控 Steering（转向）自推进液滴

施加弱静态磁场（≤10 mT）可重定向磁性簇取向。Marangoni流动随之重构，使液滴推进方向垂直于磁场方向。PIV分析显示，流场对称轴（停滞点位置）缓慢适应簇的新取向。通过偏振光学显微镜（POM）观察向列相液滴的拓扑点缺陷（+1电荷）位置变化，进一步证实内部流动结构的重组。液滴转向程度与磁性簇旋转角度呈线性关系（160°内），超越此范围则因自身油填充胶束轨迹的排斥作用产生非线性响应。连续90°磁场旋转可编程实现方形轨迹运动。该策略适用于多种油相（如各向同性油HBA）及表面活性剂体系，证实其普适性。

连续扰动流场与液滴 Curling（卷曲）运动

采用旋转磁场（0.1–1 Hz）持续扰动磁性簇取向时，液滴进入卷曲运动模式。低频（0.1 Hz）下，Marangoni流动与旋转流共存，流场各向异性明显；高频（1 Hz）时，旋转流主导并抑制Marangoni流动，液滴速度显著下降。均方位移（MSD）分析显示卷曲轨迹存在周期性振荡。CFD模拟与力学模型表明，卷曲运动源于簇取向偏离稳定点（90°）时产生的旋转速度（Ω），其大小与簇尺寸正相关。

集体行为的磁控扰动

在液滴对和链状集合中，磁控转向可调控 hydrodynamic pair（流体对）的形成与解体，液滴间距随流场对齐程度波动。对于5CB液滴的静态集群，磁场重取向可提供面内倾斜，触发整体旋转（0.2 Hz）或分裂（0.5 Hz）。在 predator-prey 体系（BrOCT追逐MFB）中，旋转磁场使捕食者液滴在猎物界面滑动，实现追逐对的 chiral motion（手性运动），强场（5 Hz）则可主动解离对结构。

本研究通过固-液取向耦合机制，实现了对活性乳液孤立及集体动力学的非侵入式磁控。该策略不依赖特定化学结构，适用于多种乳液体系，为模拟微生物行为、研究细胞间通信及开发自适应微机器提供了新途径。未来结合界面 surfactant transport（表面活性剂传输）模型、缺陷动力学分析及非均匀磁场设计，可进一步拓展至变形液滴、复杂流体环境及多液滴独立操控等场景。