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声波引导粒子自组装和自愈
一项漂浮粒子受声波引导自组装的简单实验为研究在外力作用下如何产生栩栩如生的行为提供了新的框架。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家演示了漂浮在甘油水溶液上层的粒子，是如何在计算机扬声器发出的声波作用下同步响应的。
这一研究已发表在6月20日的自然材料杂志上，可帮助处理关于能量耗散的基本问题，并回答生命和非生命系统在未处于热力学平衡状态时如何适应环境的。
惊，煎蛋画师竟然是只狗.credit: 煎蛋画师BC
论文通讯作者、伯克利实验室材料科学部门和加州大学伯克利分校资深科学家Xiang Zhang说道：“非均衡态下的动态自组装不仅在物理学中很重要，在我们的生活世界中也很重要。然而，调节这一过程的基本原理只被部分所知。这一研究工作提供了研究和理解这种现象的一种简单简炼的平台。”
据某些物理学家描述，这种具有不断变化和发展能力特征的非均衡态正是生命的精髓，可用于生物系统中，从细胞到生态系统，以及某些非生物系统，比如天气或者气候模式。研究非均衡系统能使理论学家们更接近于理解生命——特别是智慧生命的产生。
Zhang说道，然而由于非均衡系统是开放系统，因此非常复杂，难以研究。通常物理学家会倾向于研究稳定和封闭系统中的现象。
研究共同作者、同一小组的博士后Chad Ropp说道：“我们证实单个‘惰性’粒子通过耗散能量能在远非均衡态下自组织，并表现出动态适应和反应周围环境的集体特质。在此情形下，粒子会跟随计算机扬声器发出的声波的‘节奏’。”
值得注意的是，当研究者故意打破聚集的粒子之后，分散粒子又会重新组装，表现出了自愈能力。
Credit: Chad Ropp/Berkeley Lab
Ropp强调道这一工作将最终催生大量“巧妙”应用，比如对声波和光波响应的自适应迷彩，或者是按需通过外部控制装置写入特定性质的白板材料。
虽然先前已有研究表明粒子能够在外力作用下自组装，这一论文却提供了一种通用框架，研究者可据此研究非均衡系统中的适应机制。
另一位共同作者、同一小组的博士后Nicolas Bachelard说道：“我们工作的独特之处在于我们能够预测会发生什么，比如粒子会怎样动作，这是意料之外的。”
在4kHz的声波作用下，分散粒子以一分钟1厘米的速度移动。在10分钟内，粒子的聚集模式开始出现，其中粒子之间的距离表现出意料之外的不一致性。研究者发现自组装粒子具有声子带隙，即在这个频率范围内的声波无法通过，带隙的边缘与输入4kHz紧密相关。
Bachelard说道：“单独粒子中并不具备这一特性。只有当粒子聚集组织之时才会出现这种特性，这就是为什么我们将其称为非均衡条件下的结构的突显特性。”
这一实验设计几乎不可能有更简单的了。针对声波引导，研究者利用了2米长的亚克力管，包含5毫米深的甘油水溶液池。粒子由吸管制造而来，漂浮在一块平坦塑料板上，声源则是现成的计算机扬声器，通过塑料漏斗将扬声器与管子连接起来。测量声波则是实验中最具技术含量的部分。
Ropp说道：“在你自己的车库里就能完成这一套实验设备。这是一个非常便宜的实验，部分设备在你家附近转角的五金店里都能买到。有一次我们需要更大一点的吸管，所以我就出去买了一点珍珠奶茶。实验设备虽然非常简单，但却完美地展示了物理。”
研究者称，这个实验主要针对声波进行研究，这是因为隔音材料比较容易得到，但观测到的行为之下的原理可被用于任何波系统。
这一基础研究能形成研发智能网络的基础，实现简单的非算法计算，有助于未来实现具有类似知觉的决策系统。
Ropp说道：“我想到了人造大脑，不同部位响应不同频率的‘脑波’，可塑可重构。”
论文原文：doi:10.1038/nmat4920