在外界环境改变影响下，从纳米标准的量子点、聚苯乙烯球，到微米标准的细菌、真菌以及人体细胞，这些不同巨细的颗粒出现出极为挨近的集合特性。这种奥秘的集合效应究竟是怎么发生的呢？
撰文 | 董唯元
在夜晚点起一盏灯，飞虫就会集合过来；在地上放颗糖，蚂蚁就会集合过来……这些都是习以为常的现象。但是假如说无生命的颗粒也能主意向能量源靠拢，恐怕许多人都会感到意外。不久前，《天然·物理》（Nature Physics）杂志上就宣布了一篇论文[1]，提醒出天然规则中隐藏着的这种风趣现象。
这个试验由一个土耳其的研讨团队完结，详细的试验进程分外的简略。首先将均匀散布着细微颗粒的液体约束在两层玻璃之间，因为缝隙十分狭隘，液体活动和颗粒的布朗运动都简直被约束在二维平面内。然后研讨人员用激光继续加热这个准二维国际中的一点（图1）[2]，使整个平面内的温度散布不均衡，所以便以照耀点为中心，发生了继续的液流。一段时刻之后，本来均匀散布的颗粒就会像找到糖块的蚂蚁相同，严密地集合到照耀点邻近。
图1
这个现象的风趣之处在于，液体活动和颗粒本身的布朗运动，都是表面上乱七八糟的乱序行为，但在这样一个中心温度高边际温度低的非平衡国际中，竟然整体上展现出了如此高的有序性。好像冥冥之中有股奥秘的力气，能协助这些小颗粒发现并挨近能量源的方位。
或许有人会觉得这也没什么稀罕，究竟一些特定的涡流就会发生相应的堆积作用，假如将一杯悬浊液搅动起漩涡，也能使大多数颗粒堆积到杯底中心。研讨者为了扫除这种特殊性，讨论更一般性的规则，还尝试了在准二维国际中参加气泡，并将加热门设定在气泡内违背气泡中心的方位（图2）。
图2
因为气泡的存在，不只液流的形式没有了从前的中心对称性，并且温度梯度的散布形式也发生了改变，最高温度的方位变成了颗粒可游动规模之外一个不行抵达的当地。试验效果显现，热源的“吸引力”一点点没有削弱。这些颗粒就像疯狂追逐明星的粉丝相同，尽管无法抵达照耀点，却总能找到间隔最近的方位并赖在那里不再脱离。
经过上面两种试验设定，研讨人员坚信，在远离平衡态的耗散体系中，必定存在某种深层的一般性规则，支配着颗粒的整体运动形式与热源之间的联系。这些规则与详细的热源方位、液体鸿沟形状、液流的对称性等要素均无关。
为了进一步调查这种规则的影响要素，研讨小组乃至尝试了各种巨细以及各种类型的颗粒进行试验。小到只有约3纳米量子标准的碲化镉（CdTe）团块，大到超越15微米的人体细胞，跨过了4个数量级（图3）。
图3
一切标准的颗粒，都出现出了极为挨近的集合特性（图4），乃至其集合程度随时刻的演化趋势都十分挨近（图5），从而使咱们信任，这种奥秘的集合效应，与量子国际那些羁绊和相干性也无相关，是彻底根植于经典动力学范畴之内的某种出现。或许更直白地说，其规则就在布朗运动和远离平衡态的耗散体系动力学之中。
图4
图5
由土耳其毕尔肯大学Ghaith Makey教授及其团队所完结的这个试验，向咱们展现了一扇通向新未知范畴的大门。高度随机涨落的非线性杂乱体系在外界环境改变影响下将怎么反响，这本是生命科学和化学范畴一向十分重视的重要问题。但长久以来都过于侧重特定环境部分规则的研讨，而缺少满足全局性规则和一般性理论结构的建造。
尽管有算法层面的元胞自动机、动力学方面的反响分散方程，以及其他一些来自随机进程理论效果的学习，但在实践自组织行为现象的研讨中，这些理论总给人一种绕着郊外转圈却一直无法进城帮助的感觉。尤其是在远离平衡态，无法运用准平衡近似的时分，这种无力感就愈加显着。即便牵强经过各种假定参数套用现有理论结构，也经常会因非线性体系的混沌特性而迷失在无尽的调参之中。
Makey教授及其团队所宣布的这个试验效果，为相关研讨者供给了极为简练的自组织行为形式及其条件要素，一起精心剔除了一切搅扰参数。可以说是为后续理论研讨者建立起了一个十分明晰的标靶，等待着研讨者发力将其射穿。或许，诸多与生命实质密切联系的深入规则，也隐藏在这个标靶的后边。
注释
[1] https://doi.org/10.1038/s41567-020-0879-8
[2] 文中插图皆来自相关论文。
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