聲波引導粒子自組裝和自愈

知識 07-03

一項漂浮粒子受聲波引導自組裝的簡單實驗為研究在外力作用下如何產生栩栩如生的行為提供了新的框架。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家演示了漂浮在甘油水溶液上層的粒子，是如何在計算機揚聲器發出的聲波作用下同步響應的。

這一研究已發表在6月20日的自然材料雜誌上，可幫助處理關於能量耗散的基本問題，並回答生命和非生命系統在未處於熱力學平衡狀態時如何適應環境的。

聲波引導粒子自組裝和自愈
驚，煎蛋畫師竟然是只狗.credit: 煎蛋畫師BC

論文通訊作者、伯克利實驗室材料科學部門和加州大學伯克利分校資深科學家Xiang Zhang說道：「非均衡態下的動態自組裝不僅在物理學中很重要，在我們的生活世界中也很重要。然而，調節這一過程的基本原理只被部分所知。這一研究工作提供了研究和理解這種現象的一種簡單簡煉的平台。」

據某些物理學家描述，這種具有不斷變化和發展能力特徵的非均衡態正是生命的精髓，可用於生物系統中，從細胞到生態系統，以及某些非生物系統，比如天氣或者氣候模式。研究非均衡系統能使理論學家們更接近於理解生命——特別是智慧生命的產生。

Zhang說道，然而由於非均衡系統是開放系統，因此非常複雜，難以研究。通常物理學家會傾向於研究穩定和封閉系統中的現象。
研究共同作者、同一小組的博士後Chad Ropp說道：「我們證實單個『惰性』粒子通過耗散能量能在遠非均衡態下自組織，並表現出動態適應和反應周圍環境的集體特質。在此情形下，粒子會跟隨計算機揚聲器發出的聲波的『節奏』。」

值得注意的是，當研究者故意打破聚集的粒子之後，分散粒子又會重新組裝，表現出了自愈能力。

Credit: Chad Ropp/Berkeley Lab

Ropp強調道這一工作將最終催生大量「巧妙」應用，比如對聲波和光波響應的自適應迷彩，或者是按需通過外部控制裝置寫入特定性質的白板材料。

雖然先前已有研究表明粒子能夠在外力作用下自組裝，這一論文卻提供了一種通用框架，研究者可據此研究非均衡系統中的適應機制。

另一位共同作者、同一小組的博士後Nicolas Bachelard說道：「我們工作的獨特之處在於我們能夠預測會發生什麼，比如粒子會怎樣動作，這是意料之外的。」

在4kHz的聲波作用下，分散粒子以一分鐘1厘米的速度移動。在10分鐘內，粒子的聚集模式開始出現，其中粒子之間的距離表現出意料之外的不一致性。研究者發現自組裝粒子具有聲子帶隙，即在這個頻率範圍內的聲波無法通過，帶隙的邊緣與輸入4kHz緊密相關。

Bachelard說道：「單獨粒子中並不具備這一特性。只有當粒子聚集組織之時才會出現這種特性，這就是為什麼我們將其稱為非均衡條件下的結構的突顯特性。」

這一實驗設計幾乎不可能有更簡單的了。針對聲波引導，研究者利用了2米長的亞克力管，包含5毫米深的甘油水溶液池。粒子由吸管製造而來，漂浮在一塊平坦塑料板上，聲源則是現成的計算機揚聲器，通過塑料漏斗將揚聲器與管子連接起來。測量聲波則是實驗中最具技術含量的部分。

Ropp說道：「在你自己的車庫裡就能完成這一套實驗設備。這是一個非常便宜的實驗，部分設備在你家附近轉角的五金店裡都能買到。有一次我們需要更大一點的吸管，所以我就出去買了一點珍珠奶茶。實驗設備雖然非常簡單，但卻完美地展示了物理。」

研究者稱，這個實驗主要針對聲波進行研究，這是因為隔音材料比較容易得到，但觀測到的行為之下的原理可被用於任何波系統。

這一基礎研究能形成研發智能網路的基礎，實現簡單的非演算法計算，有助於未來實現具有類似知覺的決策系統。

Ropp說道：「我想到了人造大腦，不同部位響應不同頻率的『腦波』，可塑可重構。」