[论文解读] From Clarkia to Escherichia and Janus: The physics of natural and synthetic active colloids

Wilson C. K. Poon|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Micro and Nano Robotics参考文献 121被引用 13

一句话总结

本文为活性胶体的物理原理提供了教学性介绍，重点聚焦于细菌（如*Escherichia coli*）和合成性雅努斯粒子等自推进粒子。文章将它们的非平衡动力学与胶体中的被动布朗运动进行对比，强调了对游泳速度分布的实验表征，并为培养运动性细菌提供了实用指导。

ABSTRACT

An active colloid is a suspension of particles that transduce free energy from their environment and use the energy to engage in intrinsically non-equilibrium activities such as growth, replication and self-propelled motility. An obvious example of active colloids is a suspension of bacteria such as Escherichia coli, their physical dimensions being almost invariably in the colloidal range. Synthetic self-propelled particles have also become available recently, such as two-faced, or Janus, particles propelled by differential chemical reactions on their surfaces driving a self-phoretic motion. In these lectures, I give a pedagogical introduction to the physics of single-particle and collective properties of active colloids, focussing on self propulsion. I will compare and contrast phenomena in suspensions of ‘swimmers’ with the behaviour of suspensions of passive particles, where only Brownian motion (discovered by Robert Brown in granules from the pollen of the wild flower Clarkia pulchella) is relevant. I will pay particular attention to issues that pertain to performing experiments using these active particle suspensions, such as how to characterise the suspension’s swimming speed distribution, and include an appendix to guide physicists wanting to start culturing motile bacteria. Published as: Proceedings of the International School of Physics“Enrico Ferm”, Course CLXXXIV “Physics of Complex Colloid”, eds. C. Bechinger, F. Sciortino and P. Ziherl, IOS, Amsterdam: SIF, Bologna (2013), pp.

研究动机与目标

• 为单粒子行为与活性胶体集体行为的物理原理提供教学性介绍。
• 将自推进活性胶体的非平衡动力学与被动胶体的平衡布朗运动进行对比。
• 解决表征活性粒子悬浮液中游泳速度分布的实验挑战。
• 为刚开始培养运动性细菌的物理学家提供实用指导，包括专门的附录。
• 突出阐明合成雅努斯粒子中自渗流运动的关键物理原理，以及生物游动器的机制。

提出的方法

• 使用理论与现象学建模描述活性胶体中自推进机制。
• 通过*Clarkia pulchella*花粉中的布朗运动作为历史基准，对比活性胶体与被动胶体的动力学。
• 应用非平衡统计力学的概念分析游泳行为与集体效应。
• 采用实验技术测量并表征悬浮液中游泳速度分布。
• 介绍由非对称化学反应驱动的双面（雅努斯）粒子中的自渗流推进机制。
• 提供一个实用附录，包含专为物理学家设计的运动性细菌培养方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 生物游动器（如*Escherichia coli*）与合成雅努斯粒子在自推进物理机制上有哪些差异？
• RQ2 在活性胶体悬浮液中测量与表征游泳速度分布的关键实验挑战是什么？
• RQ3 活性胶体中的非平衡动力学与被动胶体中的平衡布朗运动相比有何不同？
• RQ4 非对称涂层雅努斯粒子中自渗流运动的物理原理是什么？
• RQ5 物理学家在实验研究中成功培养运动性细菌时，必须考虑哪些实际因素？

主要发现

• 如*Escherichia coli*等活性胶体通过转化环境中的自由能实现自推进运动，这使其与被动布朗粒子相区别。
• 合成雅努斯粒子通过非对称表面化学驱动局部流体流动，实现自渗流运动。
• 活性悬浮液中的游泳速度分布是一个关键可测量量，反映了系统的非平衡特性。
• 对活性胶体的实验表征需要仔细控制与分析，尤其是在区分主动运动与热扩散方面。
• 附录提供了一套实用、适合物理学家的运动性细菌培养指南，有助于实验人员更便捷地接触生物活性物质。
• 将*Clarkia*花粉（布朗运动）与现代活性胶体进行对比，凸显了软物质系统中从平衡到非平衡物理的转变。