活性双乳液里的拓扑结构竟能控制流动模式？快进来一探究竟！

大家好！在微观的物质世界里，有一种神奇的存在 —— 活性双乳液。它可不是普通的液体组合，其中蕴含着独特的奥秘。你能想象吗，它的内部结构竟然可以控制流动模式！这篇论文就深入研究了活性双乳液，通过数值模拟，揭示了其形态和时空动力学的规律。从单芯到双芯乳液，不同的拓扑结构带来了丰富多样的非平衡状态。想知道这些微观世界的秘密是如何被揭开的吗？让我们一起走进这篇文章。

*本文只做阅读笔记分享*

一、活性双乳液的研究背景

现在，科学家们对活性向列相这种软物质特别感兴趣。它能通过实验自己组装起来，像把细胞骨架聚合物和分子马达混合在一起，就能形成。而且，理论和模拟都显示，3D的活性液滴和活性向列相壳会产生很奇妙的现象。比如，因为内部持续的活性流动模式，它们能自己动起来；还能自己组织，变成像细胞一样的形状。双乳液这种特殊的结构，就像是给这些神奇现象搭建了一个舞台。它里面的被动液滴数量不一样，整个体系的拓扑性质也就不同，这就给我们研究拓扑活性物质提供了一个很好的模型。

二、研究活性双乳液的方法

为了搞清楚活性双乳液的秘密，科学家们用了一种很厉害的方法，叫3D混合晶格玻尔兹曼方法。这就像是给活性双乳液拍了一部超高清的“微观电影”，能清楚地看到里面的变化。同时，还结合了好几个重要的方程，像Cahn-Hilliard方程、Beris-Edwards方程和不可压缩Navier-Stokes方程。这些方程就像一个个小助手，帮我们描述了双乳液里流体速度、相场和张量序参数是怎么变化的。另外，科学家们还定义了一些物理量，像活性Ericksen数、雷诺数等，用这些数字来量化整个体系的性质，就像给活性双乳液做了一个详细的“体检报告”。 

三、单核心活性双乳液的奇妙表现

我们先来看看单核心的活性双乳液。

当活性比较低的时候，它会出现一种很有趣的现象——平动。这时候，整个乳液的运动速度会随着活性的增加，差不多呈线性上升。打个比方，活性就像是小机器人的“能量值”，能量越高，它跑得就越快。在这个阶段，液滴不会旋转，内部的流动形成了两个大的反向旋转的漩涡，就像两个小陀螺在里面转。

随着活性升高，到了中等活性的时候，乳液就像被施了魔法一样，进入了转动状态。液滴开始沿着圆形的轨迹做周期性运动，就像在操场上跑步一样。这时候的活性让液滴里的director几乎都弯曲了，除了在界面的地方。而且，活性流动还促进了内部液滴的圆周运动和双乳液的周期性变化，就像有人在后面推着它转圈。同时，液滴的形状也会发生变化，核心部分的变形比外壳还大。 

要是活性再高一些，乳液就会进入蜿蜒和混沌状态。在蜿蜒状态下，它的轨迹变得像弯弯绕绕的小路一样，速度也开始快速振荡。到了混沌状态，运动就更复杂了，有点像小朋友在操场上乱跑，一会儿直走，一会儿拐弯。这一系列的变化都和活性有关，活性就像一个神奇的开关，能控制乳液的运动状态。

四、双核心活性双乳液的独特世界

接下来看看双核心的活性双乳液。 

在低活性的时候，它会形成一种带电荷的位错环，这个环的结构很特别，有两个+1/2缺陷轮廓的区域和两个-1/2缺陷轮廓的区域，它们之间还有一些中间的扭曲缺陷。这种结构，就像一个特殊的“小图案”。而且，这个环还能像一个小转子一样自己旋转，旋转的动力来自两个+1/2自我推进的缺陷轮廓提供的活性扭矩。

当活性增加的时候，这个环就像被拉伸的橡皮筋一样，轮廓会变长，-1/2缺陷部分还会像小蛇一样缠绕在被动核心周围。这时候，整个流动状态也会发生变化，对称性被打破，变成了手性的图案。就好像原本左右对称的东西，突然变得不一样了。在这种变化的过程，非常奇妙。 

活性再高一些，就进入了混沌状态。这时候的位错环就像一个调皮的小精灵，不停地拉伸、扭曲，变成各种复杂的形状。它还会发生分裂和重组，产生很多不同的环组合。有时候会出现三个+1/2轮廓的情况，这些变化都受到拓扑约束和几何约束的影响，就像给小精灵戴上了一些“规则的小帽子”。

五、活性双乳液研究的重大意义

研究活性双乳液有什么用呢？它的用处可大啦！双乳液就像是一种可以自己组装的拓扑活性材料。我们可以通过改变里面被动核心的数量，来控制整个体系的拓扑结构，就像搭积木一样，换一换积木的数量和位置，形状就变了。同时，调节活性的大小，又能选择不同的流动模式。这就为我们在实验室里做实验提供了很好的理论指导，也能帮助我们开发出新型的、可以控制的功能材料。比如说，以后可能会用在智能材料、生物医学等领域。 

从仿生学的角度看，活性双乳液还能当作细胞的一个“小模型”。就像细胞里的有丝分裂纺锤体可以看成是一种活性液晶，里面的中心体就像我们研究的被动核心一样。研究活性双乳液，能帮我们理解细胞的一些行为，像细胞的运动、细胞核的旋转和细胞分裂，这对我们以后研究怎么自己组装最小细胞很有帮助。

六、一起来做做题吧        

参考文献：

Negro, G., et al. Topology controls flow patterns in active double emulsions. Nat Commun 16, 1412 (2025).