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由香港中文大學（中大）物理系副教授吳藝林教授領導的國際研究小組在活性物質領域取得新突破。團隊發現材料的黏彈性可以控制活性流體在空間和時間上的自組織過程。研究結果有望應用於新型自驅動材料或器件的製備，例如無須電路元件便能產生動作節奏的微型軟體機器人，同時為微生物學研究提供嶄新方向。研究剛於國際科學期刊《自然》發表。

活性物質是指局部地利用能量產生運動的物質系統，包括從單細胞到動物的所有生命體，由分子馬達驅動的生物分子，以及人工合成的自驅動物質等。活性物質研究是近年發展迅速的跨學科領域。這些系統蘊含的自組織（即個體之間相互影響而產生有序結構的過程）原理可以應用於再生醫學、仿生材料和自驅動微納米器件等領域。

吳藝林教授及其博士研究生劉松（現於韓國基礎科學研究院進行博士後研究）一直專注研究生命體，尤其是微生物構成的活性物質。早於2017年，他們已在《自然》發表一項合作研究，揭示一種可以在生物系統中產生集體振盪的「弱同步」機制，指出大量不規則運動的細胞個體之間只要有微弱的耦合（weakly-coupled），就可以形成隱藏的周期性集體振盪（亦即時間上的有序性）。然而，要在時間和空間上同時控制活性物質的有序性卻十分困難。

在新研究中，中大團隊在活性流體的黏彈性中成功找到線索。黏彈性是常見於複雜流體的一種力學性質，用於描述複雜流體在遇到外力的形變過程中，同時具有黏性流體和彈性固體的特性。團隊利用DNA分子調控細菌活性流體的黏彈性，並在顯微鏡下發現驚人的景象：細菌活性流體先在空間上自組織成有序的定向運動，並形成毫米尺度的巨大渦旋；然後渦旋周期性地改變旋轉方向，猶如一個自主驅動的扭擺，呈現穩定的時間有序性。團隊認為這個現象可能源於黏彈性應力弛豫和主動應力之間的相互影響。黏彈性應力弛豫指複雜流體在遇到外力時從類似固體轉變至類似液體的過程。

為進一步理解這些現象，中大團隊與加州大學聖塔芭芭拉分校的理論物理學教授Cristina Marchetti及其博士研究生、現為哈佛大學研究員的Suraj Shankar合作。兩位合作者建立了新的理論，描述細菌主動應力、介質彈性應力，以及細菌速度場和方向場之間的相互作用。他們根據理論進行分析和數值模擬，復現了主要實驗結果，並基於黏彈性應力弛豫和主動應力的時間尺度，解釋了活性物質在時間和空間上的自組織起源。

這項研究是首次在實驗上證實材料的黏彈性可以控制活性物質的自組織過程。研究結果將有助促進非平衡物理學的發展，並為製備新型、可調控的自驅動器件或材料提供嶄新方向。例如活性流體在自組織過程中形成的毫米尺度渦旋，當與傳動系統耦合時，可作為無須電路元件的「時間信號發生器」發出定時信號，用來調控微流系統的液體運輸或控制軟體機械人產生動作節奏。此外，微生物在自然界和動物消化道中，通常在含有高黏彈性分子的環境運動。是次研究亦表明環境的黏彈性改變，可能會改變細菌的集體運動模式，從而影響微生物群落的集體擴散和遷移。

參與是次研究的中大團隊獲香港研究資助局、國家自然科學基金委員會，以及中大研究事務委員會資助。論文全文請參閱﹕https://www.nature.com/articles/s41586-020-03168-6。