摘要：如果您曾经看过一群鸟群以完美的一致或看到涟漪穿越池塘，那么您就目睹了大自然的非凡能力协调运动的能力。最近，一个科学家和工程师团队在微观范围内发现了类似的现象，旋转场驱动的微小磁性颗粒自发地沿着由隐形的“边缘电流”驱动的簇边缘移动，遵循了意外的物理学分支的规则。...

如果您曾经看过一群鸟群以完美的一致或看到涟漪穿越池塘，那么您就目睹了大自然的非凡能力协调运动的能力。最近，赖斯大学的一支科学家和工程师团队在微观范围内发现了类似的现象，旋转场驱动的微小磁性颗粒自发地沿着由看不见的“边缘电流”驱动的簇边缘移动，遵循物理学意外分支的规则。该研究发表在杂志上物理审查研究。

“当我看到初始数据时 - 沿着边缘的粒子流比中间更快，我说'这些是边缘流！'我们必须探索这一点。”物理与天文学助理教授伊夫琳·唐说。 “令人兴奋的是，我们可以利用拓扑物理学的思想来解释它们的出现，拓扑物理学是由于量子计算机和异国材料而变得突出的领域。”

在他们的实验中，该团队悬挂了超级磁性胶体 - 在咸水中，认为比一粒沙子小约一百倍的磁珠。然后，他们应用了一个旋转的磁场，这导致颗粒以不同的形状形成晶体：有时它们会形成致密的圆形簇，而其他时候它们则在带有空洞或“空隙”的床单中散布。

当这些形状的外边缘的粒子开始移动的速度比其余的速度快，从而形成了边界周围的一种传送带时，实验变得特别有趣。

唐实验室的前博士后研究员Aleksandra Nelson联合作者Aleksandra Nelson说：“我们称之为边缘。” “基本上，这是一种自然形成边界周围的电流，而没有任何人推动它。”

为了理解为什么发生这种情况，研究人员转向了一种称为拓扑物理学的东西，这是描述由整体形状或布局控制的系统或行为的一种方式，而不是确切的细节。

William M. M. McCardell化学工程教授Sibani Lisa Biswal表示：“拓扑就像决定交通流量的高速公路标志。” “即使有建筑物或坑洼，由于该路线是由系统的形状设定的，交通仍然以相同的方式流动。这就是拓扑 - 规则甚至在凌乱或嘈杂的条件下也能坚持。”

在这种情况下，“规则”预测旋转的磁性颗粒将沿着它们形成的任何形状的边缘产生运动 - 无论是群集还是空隙。这正是团队在显微镜下观察到的。

有趣的是，运动类型取决于形状。当颗粒形成自由浮动的簇时，边缘流动会导致整个簇像微小的车轮一样旋转。但是，当粒子用空隙形成较大的床单时，边缘仍然具有运动，但整体结构没有旋转。

唐解释说，这种现象发生了，因为在簇中，颗粒可以像圆圈中的舞者一样自由地一起转动。但是在有空隙的床单中，周围的材料将它们固定在适当的位置，因此边缘运动必须向内传播而不是旋转。这种差异也改变了整个系统重组的速度。群集可以在几分钟内改变形状并合并，而空隙的床单花费了更长的时间。

控制粒子如何移动和组织自己的能力似乎是一个利基发现，但它具有广泛的含义。了解如何在拥挤的，动态系统中引导运动可以告知响应材料的设计，例如靶向药物输送，适应性表面或群体。

比斯瓦尔实验室（Biswal's Lab）最新毕业的联合首先作者达娜·洛布梅耶（Dana Lobmeyer）说：“我们正在学习如何使用简单的物理原则来控制集体行为。” “这是创建可以感知其环境并明智反应的材料的步骤，而无需计算机或说明。”

尽管实验使用了合成颗粒，但团队也认为生物学也有相似之处。许多细胞簇在发育或愈合过程中旋转，从而提高了生物内部类似的物理原理的可能性。

唐说：“这是科学的美丽。” “我们正在采用一个从基本数学和统计物理学的概念，将其应用于日常材料。这提醒人们，相同的优雅规则可以在隔壁的实验室中显示出来。”

这项研究得到了国家科学基金会和卡夫利基金会的支持。