突破性的新原理——韩国研究人员发现了液晶的革命性现象

诸平

Fig. 1 Researchers have discovered that objects can achieve directed motion within a liquid crystal by periodically changing their sizes, potentially paving the way for advancements in micro-robotics.

Fig. 2 From left are Sung-Jo Kim, Professor Joonwoo Jeong, and Research Professor Eujin Um. Credit: UNIST

Fig. 3 Pulsating bubbles dispersed in NLC. Credit: UNIST

据韩国蔚山国立科学技术研究院（Ulsan National Institute Of Science And Technology简称UNIST, Ulsan, Republic of Korea）2024年4月20日提供的消息，突破性的新原理——韩国研究人员发现了液晶的革命性现象（A Groundbreaking New Principle – Korean Researchers Uncover Revolutionary Phenomenon in Liquid Crystals）。

蔚山科学技术研究院(UNIST)物理系教授郑钟宇(Jonwoo Jeong音译)领导的研究小组最近在微观尺度上发现了开创性的运动原理。他们的发现表明，物体可以通过在液晶介质中周期性地改变其大小来实现定向运动。这一创新发现对许多研究领域具有重大潜力，并可能导致未来微型机器人的发展。相关研究结果于2024年2月9日已经在《自然通讯》（Nature Communications）网站发表——Sung-Jo Kim, Žiga Kos, Eujin Um, Joonwoo Jeong. Symmetrically pulsating bubbles swim in an anisotropic fluid by nematodynamics. Nature Communications, 2024, 15, Article number: 1220. DOI: 10.1038/s41467-024-45597-1. Published: 09 February 2024.

参与此项研究的除了来自韩国蔚山国立科学技术研究院（UNIST）的研究人员之外，还有来自韩国蔚山基础科学研究所（Institute for Basic Science, Ulsan, Republic of Korea）、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学（University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia）、斯洛文尼亚约瑟夫·斯蒂凡研究所（Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia）、日本东广岛广岛大学（Hiroshima University, Higashihiroshima, Japan）的研究人员。

在他们的研究中，研究小组观察到，液晶中的气泡可以通过周期性地改变它们的大小来向一个方向移动，这与其他介质中气泡的对称生长或收缩的典型情况相反。通过在液晶中引入与人类头发大小相当的气泡并控制压力，研究人员能够展示这种非凡的现象。

这一现象的关键在于气泡附近液晶结构中相缺陷的产生。这些缺陷破坏了气泡的对称特性，使它们能够承受单向力，尽管它们的形状是对称的。随着气泡大小的波动，推动和拉动周围的液晶，它们被推向一个一致的方向，这违背了传统的物理定律。

该研究的第一作者金成祚(Sung-Jo Kim音译)表示:“这一开创性的发现揭示了对称物体通过对称运动表现定向运动的能力，这是以前从未见过的现象。”他进一步强调了这一原理在液晶之外的广泛复杂流体中的潜在适用性。

郑钟宇教授评价说:“这一有趣的结果强调了时间和空间的对称性破缺在微观层面上驱动运动的重要性。此外，它还有望推动微型机器人的发展。”

这项研究得到了韩国国家研究基金会(National Research Foundation of Korea简称NRF NRF-2018R1A6A3A01010921, NRF-2022R1A2C1010700, NRF-2020R1A4A1019140 and NRF-2021R1A2C101116312)、基础科学研究所(Institute of Basic Science简称IBS IBS-R020-D1)和斯洛文尼亚研究机构(Slovenian Research Agency简称ARRS under contracts P1-0099 and N1-0124)的支持或资助。

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Abstract

Swimming in low-Reynolds-number fluids requires the breaking of time-reversal symmetry and centrosymmetry. Microswimmers, often with asymmetric shapes, exhibit nonreciprocal motions or exploit nonequilibrium processes to propel. The role of the surrounding fluid has also attracted attention because viscoelastic, non-Newtonian, and anisotropic properties of fluids matter in propulsion efficiency and navigation. Here, we experimentally demonstrate that anisotropic fluids, nematic liquid crystals (NLC), can make a pulsating spherical bubble swim despite its centrosymmetric shape and time-symmetric motion. The NLC breaks the centrosymmetry by a deformed nematic director field with a topological defect accompanying the bubble. The nematodynamics renders the nonreciprocity in the pulsation-induced fluid flow. We also report speed enhancement by confinement and the propulsion of another symmetry-broken bubble dressed by a bent disclination. Our experiments and theory propose another possible mechanism of moving bodies in complex fluids by spatiotemporal symmetry breaking.