问答：微观“交通堵塞”解决方案激发了人们对颗粒运动和药物输送的新见解

从可以在人体内携带和输送药物的微观机器人到可以检测和分解微塑料的微小颗粒，一个名为活性物质的新兴领域正在寻求微观尺度来解决世界上一些最大的问题

宾夕法尼亚州立大学化学与化学工程助理教授斯图尔特·马洛里领导了一个研究小组，研究活性物质，特别是自推进微观粒子的集体行为。该团队的目标是开发理论和计算工具，以控制微观尺度上的物质行为，并最终用它设计新的材料和设备。

该团队在《化学物理杂志》上发表了一篇论文，描述了微工程中一个常见问题的解决方案，该领域专注于设计和创造微型机器或设备，其中一些小到肉眼看不见。Mallory在以下问答环节中更广泛地谈到了他的研究和该领域；A.微工程问题是什么，你的解决方案是什么

设计任何移动的东西，无论大小，一个主要的问题是，当它被放置在封闭的环境中时，它的运动是如何改变的。本质上，我们想知道一个物体是否从初始位置开始，在给定的时间间隔内它会移动多远。我们感兴趣的问题是，当物体被限制在狭窄的通道内，无法相互通过时。如果我们知道某物开始移动的时间，并且需要知道稍后它会有多远，那么我们就需要能够解决这个问题

这是统计物理学中一个非常古老的问题，称为单文件动力学，它实际上出现在化学和物理学之外的很多地方。想象一下，当你排队或遇到交通堵塞时，你无法通过旁边的人，你排成一列，你在问自己要花多长时间才能到达你想去的地方。这是我们重点解决的问题

当我们谈论小型、颗粒大小的机器人时，它们将用于密闭环境，比如将药物输送到血液和身体的不同部位。在部署这些系统之前，我们需要首先运行模拟，以了解这些微观游泳者在复杂环境中的行为。我们必须能够预测他们将前往何处，以及到达那里需要多长时间。如果它们遇到单个文件的情况，我们需要能够考虑到这一时间，所以我们导出了一个方程，告诉你这一点

这一微观进步是否改变了你对人类尺度世界的理解

这无疑改变了我作为一名车手的看法。在双车道上行驶是单行道动力学的一个很好的例子，因为汽车无法相互通过。如果你曾经开车，但人们似乎无缘无故地停下来，这被称为“幻影交通堵塞”。这些交通减速是自发出现的，通常是由汽车速度或间距的小幅波动引起的，随着时间的推移，由于人类反应时间和制动或加速延迟，这些波动会放大

在我们对窄通道中运动的活性粒子的研究中，我们观察到类似的行为，导致粒子聚集在一起并减慢速度。所以，是的，这篇论文让我对交通有了更多的思考

在解决这个单文件问题之前，您发表了一篇论文，展示了一种调整Phoretic Janus粒子的潜在方法。它们是什么，为什么它们很重要，为什么你想调整它们

大约20年前，宾夕法尼亚州立大学的一个科学家团队发明了这些自推进的纳米粒子，他们称之为Phoretic Janus粒子。它们是这些微小的颗粒，通常是微米级或比人类头发宽度小100倍，可以推动自己穿过流体

它们的表面由两个化学上不同的区域组成，这就是为什么它们被称为“Janus”，罗马二元性和过渡之神。这种二元性使它们能够以一种允许自我推进的方式在自身周围创造和维持化学梯度。想象一下，一艘有两个侧面的小型潜艇，一个侧面将水推出，另一个侧面则将水拉入。这会产生一股水流，推动潜艇前进。这类似于这些粒子的工作原理。通过调整它们，我们可以控制它们如何以及在哪里响应化学信号

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你为什么要关注这些粒子，你对它们有什么发现

首先，有趣的是，它们是在宾夕法尼亚州立大学发现和设计的，现在它们在世界各地都有研究。关注它们也是有意义的，因为我们对基本上可以游泳的粒子感兴趣。这些小型微型游泳池具有广泛的应用。它们可以在体内发挥作用，用于靶向药物输送等情况，也可以清除环境中的问题，分解有害化学物质、细菌或微塑料

它们是相对较新的工具，因此我们的团队正在努力了解这些粒子的行为，它们是如何自我推进的，它们使用什么样的燃料，以及这种燃料如何改变它们的动力学

一般来说，这些颗粒非常适合需要有针对性的微观运动的应用。与依赖外力移动的被动粒子不同，Phoretic Janus粒子会产生自己的运动，这意味着我们可以通过调整粒子两个表面区域的化学成分来“驱动”它们

为了与驾驶隐喻保持一致，颗粒物使用什么样的燃料

根据粒子的成分，不同的燃料来源将为它们的运动提供动力。例如，过氧化氢可以用作具有金属区域的颗粒的燃料，而其他酶包被的颗粒可以使用葡萄糖等生物基燃料

但是粒子之间也有相互作用，可以影响它们的运动，这就是为什么我们的工作重点是在两个层面上理解粒子的行为：个人和集体。我们已经讨论了个体层面，我们的目标是使用先进的计算方法控制和精确模拟单个Janus粒子的行为

在集体层面上，我们研究了当许多粒子相互作用时行为是如何变化的，探索了它们集体行为的动态。最终，我们的目标是整合这些方法，开发高度精确的模拟，捕捉复杂系统中许多粒子的相互作用

你的研究有哪些潜在的应用

我会给你一个非常具体的。有一些由碳酸钙制成的纳米颗粒可以响应癌症细胞产生的pH梯度，使它们能够游向癌症细胞。通过精确的粒子设计，我们可以制造出本质上是微观机器人的东西，这些机器人可以感知和移动特定的生物信号，例如癌症细胞释放的分子。在不久的将来，我们可以利用这些粒子携带有效药物，靶向癌症等有害细胞

这一概念可以扩展到其他应用，例如使用颗粒来检测和收集微塑料，为环境清理提供了一种潜在的解决方案

你也学习材料研究，那么你的研究如何应用于该领域

这与我们工作的集体行为方面有关。纳米粒子能够自组装，这是大自然构建结构的方式，更小的部分制造越来越大的部分

我们的工作表明，自推进粒子可以增强这一过程，使自组装成为在微观尺度上构建的更有效工具。这个想法是，你可以设计积木，将它们悬浮在含有自推进颗粒的溶液中，理想情况下，它们会自发形成所需的结构

你的实验室目前在做什么？你的下一步是什么

我们正在开发理论和计算模式，以更好地了解这些粒子在不同环境中的行为，如果我们想开发用于化学和药物输送等应用的微型设备，这是必要的

我们对Janus粒子所做的工作有助于更广泛的研究领域，专注于由自推进粒子及其集体行为组成的系统，因此我们团队的发现进展将对整个活性物质领域产生影响。我们所做的任何一步都是在微观尺度上理解和操纵物质的一步 More information: Akinlade Akintunde et al, Single-file diffusion of active Brownian particles, The Journal of Chemical Physics (2025). DOI: 10.1063/5.0248772

Journal information: Journal of Chemical Physics