近日，上海交通大學自然科學研究院/物理與天文學院張潔課題組在非極性的布朗運動顆粒的集群行為研究中取得了重大進展。該工作由研究團隊博士生陳楊銳與導師張潔共同完成。他們通過研究均勻驅動的準二維顆粒物質，發現了非極性顆粒在某些堆積分數時自發產生了大規模的集群行為，并確定了四種不同的相態：顆粒流體相、集群流體相、多晶相和晶體相。這項研究成果題為《Anomalous flocking in nonpolar granular Brownian vibrators》，已發表在Springer Nature旗下的《Nature Communications》期刊上。

顆粒物質的集體動力學是軟物質物理學研究中的重要課題。傳統觀點認為，集群運動需要顆粒個體之間的極性對齊機制。在以往的實驗中，無明顯對齊相互作用的硬球或硬盤在二維均勻驅動下沒有觀察到集群運動。然而，上海交通大學的張潔課題組通過實驗和理論研究，揭示了準二維的非極性顆粒受隨機振動驅動時也能表現出集群行為。這一發現挑戰了傳統的集群運動理論，拓寬了人們對復雜系統中集體行為的理解。

在該研究中，研究團隊自主設計并應用3D打印技術成功制備了非極性布朗運動顆粒。在垂直振臺的驅動下，單個顆粒的平動速度和轉動速度的分布均符合高斯分布且相互獨立，首次在實驗上成功實現了對非極性顆粒的隨機驅動。通過調節顆粒的堆積分數，該團隊系統性地研究了不同相態下的結構與動力學行為。此外，該團隊還開發了一種非彈性碰撞的等效相互作用力的計算方法，為定量研究非彈性碰撞中的能量損失提供了全新的思路。

通過高分辨率的實驗觀測和詳細的理論分析，研究團隊發現，非極性顆粒在隨機驅動下能夠產生大規模的集群運動。該團隊應用活性顆粒的動力學理論，揭示了自發集群運動的物理機制：在不同的堆積分數下，顆粒的主動活性力與顆粒間非彈性碰撞產生的等效吸引力之間的競爭關系導致了集群運動的涌現和消失。

這項研究不僅為理解非極性顆粒的集群行為提供了新的視角，也為設計和控制顆粒物質的集體運動提供了新的方法，拓展了對顆粒材料和活性物質的集體動力學的認識。

上海交通大學張潔教授為通訊作者，博士研究生陳楊銳為第一作者。本研究獲得了國家自然科學基金(No. 11974238和No. 12274291)和上海市教委創新項目(No. 2021-01-07-00-02-E00138)，以及上海交通大學學生創新中心的支持。

論文鏈接：Anomalous flocking in nonpolar granular Brownian vibrators | Nature Communications