摘要：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

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

1、关于活性向列相，下列说法正确的是？

A. 只能在理论中存在，无法实验自组装

B. 实验和理论都表明在无限制几何中研究最多

C. 3D 活性液滴和 3D 活性向列壳层不会产生自发运动

D. 与材料科学无关

2、对于单芯活性双乳液，低活性时的运动状态是？

A. 静止不动

B. 自发旋转运动

C. 自发平移运动

D. 混沌运动

3、双芯活性乳液中，低活性时的 disclination loop（位错环）具有以下哪种特征？

A. 由单一缺陷类型构成

B. 拓扑电荷为偶数

C. 由两个 +1/2 缺陷段和两个 -1/2 缺陷段等构成

D. 与高活性时的结构相同

参考文献：

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

来源：知识泥土六二三