近日，上海交通大学软物质与活性物质合作研究组（自然科学研究院/物理与天文学院张洁团队、Wilczek量子中心Matteo Baggioli团队）在活性物质集体动力学研究方面取得重要进展。研究团队以各向同性活性颗粒体系为研究对象，系统揭示了非极性活性颗粒流体中由拓扑缺陷主导的集体运动机制，并首次在该类体系中观测到类似湍流的反能量级联过程。相关研究成果为理解非平衡活性体系中微观拓扑过程如何驱动宏观集体行为提供了新的物理图像。

这项研究成果以“Topological signatures of collective dynamics and turbulent-like energy cascades in apolar active granular matter”为题发表在《美国科学学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

研究背景

活性物质是指一类在微观尺度持续注入能量、处于非平衡态的物理体系，其典型特征是能够自发产生复杂的集体运动行为。这类体系广泛存在于自然界和工程系统中，其尺度跨度从微米量级的细菌群体延伸至米量级的人群流动。由于其远离热平衡，活性物质展现出许多在传统平衡体系中不存在的新奇物理现象。

近年来，拓扑缺陷在描述和理解极性与向列型活性体系（如活性液晶）中的集体动力学方面发挥了核心作用。然而，对于非极性活性体系而言，由于单个粒子既不存在定向运动方向，也缺乏内禀取向轴，其集体行为能否用拓扑语言描述仍是一个开放问题。

研究方法及结果

在本研究中，研究团队自主设计并应用3D打印技术成功制备了双分散的非极性活性颗粒物质。在垂直振台的驱动下，单颗粒的速度分布以原点为中心，且速度关联衰减得很快。说明体系中不存在一个内禀的定向运动速度，且单粒子的运动几乎没有记忆效应。利用高精度的图像处理与颗粒追踪技术，能够得到颗粒系统的结构和动力学信息。

研究表明，体系中的拓扑缺陷主导了稳态大尺度集体动力学及类湍流的反能量级联过程。体系通过拓扑缺陷的湮灭及大尺度涡旋结构的形成实现自组织集体运动，同时伴随着动能由小尺度向大尺度的转移。此外，研究还发现体系动力学由单颗粒活性和粒子之间相互作用共同决定，在较高的体积分数下呈现三阶段时间演化行为。

研究总结

这项研究建立了活性颗粒流体中微观拓扑动力学与宏观涌现行为之间的直接联系。同时，该工作展示了在由非极性活性颗粒组成的均匀体系中，如何自发产生集体运动，为理解生物、人工合成体系以及机器人系统中的集体动力学提供了新的物理视角。

研究团队成员包括上海交通大学物理与天文学院博士生郑梓涵、蒋存源（现郑州大学副教授）、陈杨锐（现明尼苏达大学博士后研究员），上海交通大学物理与天文学院Wilczek量子中心Matteo Baggioli教授与上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院张洁教授。该论文第一作者为郑梓涵，通讯作者为Matteo Baggioli教授与张洁教授。该研究得到了国家自然科学基金委与上海市教委科研创新计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2510873123