上海交大自然科学研究院张何朋课题组及其合作者揭示细菌湍流驱动相分离液滴界面波与形变动力学

　　

近日，上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院特聘教授张何朋课题组与厦门大学物理科学与技术学院游智鸿课题组合作，在 Nature Communications 发表题为“Bacterial turbulence drives interfacial waves and shape dynamics in phase-separated droplets”的研究论文。该工作将高密度运动细菌封装于相分离液滴中，构建由细菌湍流驱动的三维活性液滴，揭示了内部活性应力引发界面波、大形变、液滴运动及相分离粗化的物理机制。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75497-5

研究内容

图1　细菌—聚合物活性液滴实验体系中的细菌集体运动及其引发的界面形变。

液—液相分离广泛存在于生物凝聚体、软物质和功能材料中。传统研究通常将相分离液滴视为接近平衡态的被动体系，但在生命系统中，分子马达、细胞骨架和运动微生物持续消耗能量并产生主动作用力。内部活性应力如何跨尺度传递至封闭的三维液滴界面，并调控液滴形态和运动，是理解活性多相体系的重要问题。

研究团队构建了由聚乙二醇、葡聚糖和运动性大肠杆菌组成的三元体系。发生液—液相分离后，细菌选择性富集于葡聚糖相液滴内并形成类似湍流的集体运动。通过调节细菌密度，研究人员可以连续改变液滴内部的活性应力。在较低细菌密度下，液滴整体保持近似球形，但界面产生远强于热涨落的动态涨落。界面涨落谱在细菌流动关联尺度附近出现标度转变，长波界面模式能够以波的形式传播。为解释低雷诺数条件下界面波的形成，研究团队建立了耦合 Cahn–Hilliard 相场方程与 Toner–Tu–Swift–Hohenberg 活性流体方程的粗粒化连续模型。数值模拟再现了实验中的流场、界面涨落谱和传播模式。理论分析表明，细菌集体运动产生的活性作用可部分抵消黏性阻尼，使原本快速耗散的界面获得类似惯性的欠阻尼响应，从而产生界面波。这说明内部细胞运动能够将柔软界面由纯耗散状态转变为支持波传播的动态边界。

当细菌密度进一步升高时，内部流动与液滴形变形成正反馈：流动推动界面产生凸起，变形界面又引导并增强局部流动。液滴由此出现持续的非球形形变，其长宽比可短暂超过经典瑞利—普拉托不稳定性的阈值而不立即断裂。部分液滴还形成宽度接近单个细菌尺度的细丝，细菌在其中沿细丝方向发生局部向列排列。强形变同时扰动液滴与基底间的接触线，促进液滴横向运动、局部脱离、碰撞和融合，显著加快体系的粗化过程。

该研究表明，细菌集群运动可作为调控液滴界面力学、形态和输运行为的有效手段。该工作为理解生物凝聚体中的非平衡界面动力学提供了新的实验平台与理论框架，也为设计自驱动软材料、可编程活性液滴和人工细胞提供了物理基础。

作者团队简介

上海交通大学物理与天文学院博士生常瞰和厦门大学博士生黎玉林为共同第一作者，张何朋教授和游智鸿教授为共同通讯作者。上海交通大学袁铭、Masaki Sano教授参与研究。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划及“111计划”等项目资助。

作者：

INS

供稿单位：

自然科学研究院