他叫游智鸿，2022 年 8 月从国外回到老家福建，任职于厦门大学物理系，目前从事活性物质相关理论的研究。
图 | 游智鸿（来源：游智鸿）
前不久，其担任共同一作的论文在Science上发表。该工作展示了由活性液体和普通液体组成的混合液体系统所具有的一系列新奇性质。
（来源：Science）
研究期间，他和合作者探究了这些现象背后的物理机制、对理解生物系统的启示、及其在材料科学中的应用。论文评审专家认为，该工作为活性混合液体动力学的研究，提供了有价值的启示与洞见。
尽管在定性上，该工作更偏向于基础科学研究，但仍然具有一些潜在的技术应用。特别是，该成果提供了一种调控混合液体相分离及界面的新途径。
首先，利用活性力调控液-液相分离，有望在化工、制药等行业产生相关应用。在这些行业中，有许多工序会利用到液-液相分离，例如原料的提纯或分离。此外，液-液相分离还可能阻碍、扰乱一些重要工序，比如结晶的顺利进行。
基于此工作，我们可以通过活性力来调控液-液相分离的进行速度，或者利用较强的活性力，来阻断相分离的发生，从而保证相关工序的顺利进行。
甚至可以利用激光实时、定点地控制相分离。这意味着，在一些需要精准调控的工序中，该成果都有可能产生重要应用。
其次，利用活性力调控液体的浸润行为，也有望在工业上带来一定应用。最典型的案例就是渡膜和涂层。它们都需要液体或颜料尽可能地浸润固体的表面。因此，可以利用此次发现的活性浸润现象去实现。
当然，在科研实验室和工业研发中，活性-非活性混合液体的这些性质也可能带来新应用。
（来源：Science）
从酒的形成说起
在日常生活中，混合液体随处可见。例如，当把水和酒精倒在一起，两种液体会自动混合，形成成分均匀的溶液，也就是酒。
与之相反，当把水和油放在一起，即使一开始被搅匀，两种液体也会自发地分离开来。这种不同液体自发分离的现象，叫作液-液相分离。随着相分离的进行，两种液体之间就会形成界面。
相分离与界面，是混合液体最核心的物理概念。与之相关的科学理论，在食品、医疗、环境、工业、以及前沿科研中都有着十分重要的应用。
例如，在化工或制药业中，常常要把混合原料分离或提纯。一个广泛使用的方法，就是把这些原料放入已经相分离的混合液体，比如水-油混合液中。
由于不同原料对水和油的亲和力不同，它们会自动被分配到水、油或者两者的界面之中，从而实现原料的分离或提纯。
同样地，人们常用的洗洁精、洗手液，是通过降低水和油脂之间的界面张力来清洁油污，这便是界面物理学在日常生活中的典型应用。
（来源：Science）
相分离与界面，也与生命过程息息相关
近年来，越来越多的研究表明，相分离与界面科学和一些重要的生命过程息息相关。特别是，细胞内大量的蛋白质分子，均是以液滴的形式存在于细胞质中。因此在一定程度上，生物细胞可以被当成一个结构极其复杂的混合液体。
这些蛋白质液滴的相分离及界面演化，不仅主导着细胞新陈代谢的有序进行，而且与许多临床疾病有紧密联系。所以，探究细胞内的相分离及界面演化，也能帮助回答生物学和医学的一些重要问题。
鉴于混合液体相分离与界面的重要性，学界一直在发展新理论和新方法，去理解和调控这些物理现象。然而，仍有一些基本问题未被探讨。
而游智鸿和合作者试图通过上述论文，对其中的两个关键问题进行解答。
一方面，当前调控相分离及界面性质的方法，主要通过改变液体的化学成分来实现。但是，这种方法具有一些局限性。特别是，一旦液体的化学成分已经确定，相分离及界面的性质也会随之确定。
因此，使用这种化学方法，并不能控制成分固定的混合液体的物理性质，也很难实现相分离、界面性质的实时调控。
而此次成果的重点之一在于，提出一种利用力学方法调控混合液体的新途径。在这种力学调控中，无需改变液体的化学成分。因此，可在一定程度上克服传统化学方法的局限性。
另一方面，当前关于液-液相分离与界面的物理理论，主要用于描述处于热平衡态、或近平衡态的普通液体。
但是，细胞内部通常有大量的生命活动在同时进行。与这些生命活动相关的物理、化学过程，可能会让胞内液体具有普通液体所没有的性质。
那么，经典混合液体理论能否描述这种活的混合液体？如果不能，该如何改写经典理论？这种活的混合液体又有哪些新性质？以上都是亟待解答的问题，也是此工作的另一侧重点。
一种活的混合液体
为了探究这些问题，课题组设计出一套由活性液体和普通液体组成的混合液体系统。活性液体是一种典型的活性物质，而后者还包括细胞组织系统、动物群体、机器人集群等生命物质或类生命物质。
据悉，作为一个前沿研究领域，活性物质由软物质、生物物理、复杂系统等学科交叉形成。其最典型的特征就是，可以在微观尺度从环境中汲取或转化能量，并驱动粒子实现定向运动。这种特殊的能量注入方式，赋予了活性物质大量的新奇性质和行为。
而研究这些现象，不仅能帮助理解一些重要生命过程，比如细胞分裂、组织器官的生成，也对设计智能材料、微观力学器件、机器人集群等有一定的启发意义。
研究中，该团队使用的活性流体主要包含：用于搅动液体的微观硬棒（即蛋白微丝）、推动微丝的分子马达、以及充当分子马达燃料的 ATP（adenosine triphosphate，三磷酸腺苷）。
分子马达通过消耗 ATP 的化学能，可以推动蛋白微丝进行定向运动。这时，活性液体会在微丝的搅动下产生自发流动，好像变活了。
因此，这种由分子马达驱动的自发流动，可以作为细胞生命活动的简单模拟。而系统的活性，则可通过改变分子马达的浓度来调节。
一般而言，分子马达越多，微丝对流体的搅动（即活性力）也越强，流体的活性也就越高。为了更深刻地理解实验现象，课题组还建立了一套流体力学理论模型，来描述这一混合液体系统。
（来源：Science）
发现活性混合液体系统的大量新奇性质
通过实验与计算机模拟，该团队发现这一活性混合液体具有大量新奇的性质。
首先，系统的活性可用于调控混合液体的相分离。在较低的马达浓度下，由活性驱动的自发流动，会提高液滴间的碰撞频率，从而促进液滴的融合，进而极大加快相分离的进程。
但是，当马达浓度足够高时，微丝强有力的搅动可以撕碎液滴，使混合液体的成分均匀化，因此反而阻滞了相分离的发生。通过调节活性，我们就可以控制相分离的演化速率及程度。
其次，系统的活性可以驱动界面进行巨涨落，并诱发一种有趣的界面波。对于处于热平衡态下的混合液体，热噪声会导致界面产生微观尺度的随机涨落。这一现象可用经典统计物理来描述。
在活性混合液体中，研究人员也发现界面会产生随机涨落。但是，其涨落幅度远大于界面的热涨落：如果要让热涨落达到相近的幅度，那么需要把系统加热到 1000 亿度，这远远高于太阳的中心温度。
而且，活性界面还会产生一些奇怪的界面波，而这在处于热平衡态的界面上并不存在。
为此，课题组发展了一套理论来解释这些现象，并把界面涨落的统计物理推广到活的系统中。
最后，当把这种混合液体倒到一个容器中，因密度较大而处于底部的活性液体居然会逆重力沿着容器壁往上爬。
之前，学界只在极低温的量子液体中，发现过这种新奇的爬墙行为。与前者不同的是，活性液体的攀墙行为并非来源于量子效应，而是一种新的、由活性力诱导的物理现象。研究团队将其命名为活性浸润，并发展了一套力学理论描述这一现象。
这些结果表明，对于基础科学和应用研究，活性混合液体都有着重要意义。
从基础物理的角度来讲，这一系统所展现的新奇现象，启发了研究团队去构建新的物理理论来描述这种活的混合液体，包括界面巨涨落的统计理论和活性浸润理论等，借此拓宽了混合液体物理理论的版图。
从生物学角度来讲，作为胞内液体的一种简化模型，这种活性混合液体允许研究者以更简单、更系统的方式，来探究这类活的混合液体的普适性质。
此外，这一工作中所发现的由活性驱动的相分离、界面涨落、活性浸润等现象，原则上也存在于真实细胞中。但是，其生物学意义还有待进一步探讨。
（来源：Science）
与传统化学方法不同的是，活性调控本质上是一种力学方法，因此能在不改变液体化学成分的条件下，控制混合液体的材料性质。
更有意思的是，一些分子马达的活性，可以通过激光来控制。这就允许人们利用光，对混合液体的性质，进行实时和定点的控制。而这对于设计智能、可控的功能材料，很有启发意义。
此外，该工作还为活性物质的研究提供了一个新方向——即探究活性过程与非活性物理过程的耦合。
近日，相关论文以《活性液体界面的动力学》（Dynamics of active liquid interfaces）为题发表在Science上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Science）
游智鸿担任共同一作、加州大学圣巴巴拉分校物理系雷蒙·阿德金斯（Raymond Adkins）博士为第一作者，加州大学圣巴巴拉分校物理系伊塔马尔·科尔文（Itamar Kolvin）、M·克里斯蒂娜·马尔凯蒂（M. Cristina Marchetti）、兹沃尼米尔·多吉奇（Zvonimir Dogic）三位教授担任共同通讯作者。
两年磨一剑
据介绍，该项目是一个典型的理论-实验合作项目。从研究伊始到论文发表，大致可分为立项、探索、理解、撰文四个阶段。
首先，是立项阶段。在游智鸿加入该项目之前，实验合作者已经投入了一定时间搭建实验平台，并解决了一些关键的实验技术问题，已经具备制备相对稳定的活性-非活性混合液体的条件。
对一些项目来说，进行到这里就已经完成一大半，后面只需对新系统做一些常规的表征、刻画即可结题。
提出一套新系统固然是重要的。但是，对于游智鸿和当时所在的团队而言，更重要的问题是：能从新系统中学到什么新知识？这些新知识能否帮助我们理解自然界？可能具有哪些实际应用？
围绕这些问题，这个长达两年的理论-实验合作浩浩荡荡地展开。经过几周的摸索，课题组最终决定首先探究这个系统的液-液相分离现象、以及液-液界面的行为。
接下去，就是探索阶段。一般而言，这一阶段是整个项目最好玩、最激动人心的阶段，因为其主要目标就是从所观察到的现象中寻找新奇的、反常的、不可思议的行为——这其实就是一个寻宝游戏！
当然，这一阶段也最需要科研能力，即研究者要有足够的知识储备，且对当前研究现状了然于胸，同时还应具备灵敏的嗅觉，能从现象中察觉出新的、反常的成分。
通过系统地建模、计算机模拟、以及大量的实验研究，他们成功找出了一系列新奇的行为：可控的液-液相分离、界面巨涨落、活性浸润等。
有了这些新奇的现象，项目就进入了最重要的理解阶段：即理解这些现象背后的物理机制，并建立物理理论来描述这些现象。
由于系统比较复杂、并且现象比较多，在这一阶段，课题组耗时一年多，甚至在最后的投稿阶段，还在不断地改进理论。
其中，最困难的便是决定所建立理论的复杂度：
一方面，理论物理学者都希望建立的理论能尽量地简单且具有普适性（这两者并不矛盾，而是相辅相成的）；
另一方面，由于理论需要用来解释实验结果，研究者们又不得不加入一些额外的物理因素到理论当中。
这意味着他们要在简单与复杂之间，寻找一个最佳的平衡点。经过不断地尝试、对比、验证，该团队最终才在大量不同版本的理论中，确定一个能描述实验和计算机模拟，同时又相对简单、普适的物理理论。
最后，在得到大部分理论与实验结果之后，研究者进入论文写作阶段。
由于Science期刊对文章篇幅的限制非常严格，而他们在这个系统中发现了很多新现象，每个现象都有对应的实验结果、计算机模拟以及物理理论，因此不得不对内容进行大量的删减，几经讨论才最终定稿。
幸运的是，审稿人对论文所呈现的结果都比较满意，让研究团队经过小修之后就予以接收。
游智鸿说：研究过程虽然比较辛苦，但是也充满了乐趣，有很多值得回味的时刻：模拟程序第一次成功跑起来时的兴奋感、看到理论与实验结果一致时的成就感、以及论文最终被接收时的释然。
对反常现象也要保持重视
而最让游智鸿印象深刻的是，大家对反常现象的重视和谨慎，他觉得这是此项目能取得如此丰硕成果的直接原因。
其中，最典型的例子就是活性浸润的发现。早在实验平台刚搭建完成，大家就发现处于底部的活性液体，总是倾向于浸润试管壁（即爬墙行为）。
刚开始，大家认为这是玻璃试管表面的化学处理有问题。因此试着在试管壁涂上不同的化学成分，但是这种恼人现象仍然存在。
彼时，计算机模拟代码也刚完成。课题组在计算机上一跑，发现这一现象居然也存在于模拟中。
这下，大家都开始兴奋起来了。在理论模型中，试管只是通过力学边界条件来描述，显然不会有化学成分的问题。因此，在实验及模拟中都出现这种反常现象，说明其背后很可能隐藏着一种未知的物理原理。游智鸿表示。
果然，通过更细致地观察混合液体在试管壁附近的行为，他们找到了这一现象背后的物理机制，并基于此构建了混合液体活性浸润的物理理论。该项目的一些其它成果，例如界面波，也是通过细心观察反常行为发现的。
（来源：Science）
将进一步丰富这类系统的科学内涵
据游智鸿介绍，该研究还有数个后续子项目正在进行。这些项目基本都围绕此次发现的新现象以及提出的新概念来展开的。
一方面是希望更系统、更详尽地探究这种活性-非活性混合液体的性质，并试图寻找一些新现象，以加深对这类系统的认识。
另一方面，该团队也试图发展一些新的、通用的理论，以便更全面地描述这类系统。
其中一个项目便是探究活性液-液相分离的定量行为。关于相分离这一现象，在此次Science论文中，研究组只给出了一些定性的结果以及直观的物理解释。
而这个新项目的目标之一便是定量地刻画这些现象：比如相分离进行的速度与活性力强度有着怎样的定量关系？活性力在什么强度下开始从促进相分离转变成阻滞相分离？受阻滞的相分离最终会演化成什么态？具有什么性质等？
与此同时，该团队还将试图建立具有普适性的物理理论，以便定量地描述这种非平衡相分离现象。他们希望这些定量结果和物理理论，可以指导这一现象的实际应用，并能提供一定的理论依据，帮助人们理解生物系统中的相分离。其它正在进行的项目包括混合液体的毛细现象、活性界面的稳定性及界面上的行波等。
我们希望在后续的研究中，挖掘出更多新现象、新理论，以进一步丰富这一系统的科学内涵。此外，受这个工作的启发，我们还将考察不同的活性-非活性耦合系统，探究这些系统的新性质，并发展相关的物理理论来描述这些行为。游智鸿最后表示。
参考资料：
1.Adkins, R., Kolvin, I., You, Z., Witthaus, S., Marchetti, M. C., & Dogic, Z. (2022). Dynamics of active liquid interfaces.Science, 377(6607), 768-772.
