上纽大及纽大科学家设计出世界上最小的“攀岩者”

上海纽约大学和纽约大学的科学家们宣布发现了微观马达攀爬陡坡的新行为，他们从实验观测和数值模拟两个方面揭示了其中蕴含的物理机制。科学家们将一些能够自由移动的微观马达放置于溶液中，在可以调整的固体斜面上展开一系列细致的研究。该研究成果近期发表在国际跨学科期刊《软物质》（Soft Matter）上。

上海纽约大学物理与数学教授张骏全面参与并总结了该项研究。其他合作者包括时任纽约大学库朗研究所博士后研究员Quentin Brosseau，纽约大学化学系博士生Yang Wu、化学教授Michael Ward、数学副教授Leif Ristroph，以及柯朗研究所教授Michael Shelley。

在本项研究中，科学家们将长约一根头发丝宽度的1/40的微观马达浸入稀释的双氧水中，这样一个杆状游动物体只有两微米长，比任何肉眼可见的沙粒都小很多。科学家们系统地观测它们遇到不同角度斜面时的运动行为，并利用数学模型来模拟这些过程。微观马达由金和铑或者金与铂两种金属合成，不同金属的比重不同，因此每个微观马达内部的密度分布也不均衡。

“这些微观马达的比重是周围溶液的20倍，可是它们居然可以爬上近乎垂直的陡坡。” 张骏教授解释道。尽管这些马达的质量较大，它们的化学构成以及它们和斜坡表面的流体力学作用仍能使它们克服重力的作用，向上移动。

由金和铑（图中紫色部分）制成的微观杆状马达在溶液中游动。当面前出现斜坡时，由于密度不均衡，每个马达会调整其方向，并像攀岩者一样向上游动。马达和斜坡之间的流体力学效应也对其向上游动起到帮助    

这项研究有助于人们更好地理解“趋（反）重力运动 （gravitaxis）”，即响应重力的定向运动。该现象不仅在生物世界非常重要（很多微生物需要克服重力，通过运动使自己保持在水的表面才能得以生存），在工程和流体力学控制方面也有广泛的应用，同时对医学和制药的发展具有重要意义。它在一定程度上解释了细菌如何在土壤中移动，并为创造有效多能的药物传递机制提供了新思路。

“因为微观马达内的密度分布不同，它们在与重力的作用下会调整运动的方向。就好像跷跷板一样，如果一边重一边轻，跷跷板轻的一端就会向上翘起来，” Michael Shelley教授补充说，“流体力学效应会放大这种运动的效果，靠近墙边游动时，马达调整向上的姿态时会产生更大的扭矩，这点很关键。微观世界是嘈杂的——因为马达看上去总是喜欢向上移两步、向下移一步——更大的扭矩会增大它们垂直移动的能力，或者是向上攀爬的能力。”

在之前发表在物理学期刊《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上的论文中，张骏教授、Michael Shelley教授及同事们设计了类似的微观马达，实现了一种对抗来流、从而逆流而上的有效运动机制。而本项新研究通过揭示高密度马达攀爬陡坡的现象，进一步拓展了以往的发现，并赋予这些微观马达更多的“技能”。

“既然这些微观马达可以克服重力爬上陡坡，我们有理由期待让它们完成更复杂的任务，” 张骏教授说，“跟我们研究的马达类似，未来先进的微颗粒也许会自己寻找目标，通过设计来发挥特定的功能、执行任务。”