自组织结构的控制: 从平衡过程到非平衡过程

来源：物理学报

背景介绍

从原子到细胞，再到宏观体系，几乎在所有尺度上都有自组织现象。自组织是生命和非生命体系形成有序结构和功能结构的基础。根据其热力学特性，自组织形成的结构可分为平衡结构和非平衡结构。自组织结构的功能和特性并不简单的取决于原子成分，更重要的是其空间结构。大量的研究结果表明，空间结构的形貌和尺寸效应可以对结构的物理和化学特性产生决定性影响。而生物体系在控制和利用结构的尺寸效应上的能力尤其令人惊叹。对生物结构的研究和模仿极大提高了人工材料的水平。

除了平衡结构，生物体系还存在各种动态活性结构。这些活性结构是完成各种生命过程的基础，具有突出动态响应和自调整的特性。利用非平衡自组织形成动态有序结构，为发展人工智能材料提供了一种可行的技术手段。但目前已有研究中的非平衡动态结构，空间尺寸有限，缺少长程有序，并不是严格意义上的非平衡自组织的结果。如何实现动态有序结构目前还缺少共识，没有成熟的技术和理论。在自驱动体系中通过非平衡过程实现时间晶体为发展具有时-空特性的动态活性结构提供了一种新的思路和方向。

文章导读

《物理学报》2020年第14期“特邀综述”栏目刊登了苏州大学张天辉教授课题组撰写的“自组织结构的控制：从平衡过程到非平衡过程”综述文章。该文章主要总结了平衡自组织和非平衡自组织中，功能结构和人工仿生结构的最新研究进展。

自组织现象广泛存在于物理、化学、生物等各种体系中。工业上可以通过平衡自组织获取各种金属、半导体以及非线性晶体，这些晶体结构都属于热力学平衡结构。相比于这些普通的结构，生物通过平衡自组织形成的功能结构，充分利用了结构的尺寸效应，实现了特殊物理性质并显示出超常的能力。例如，骨骼和竹子的多级分层结构使其具有很强的韧性和抗撞击特性。生物通过控制自组织结构，可以实现各种物理和生物功能，展示了生物在控制自组织过程及其结构上的超常能力。通过对这类现象的研究，人类对纳米结构及其空间排列与材料宏观性质间的关联有了深入和全面的认识。以这些研究成果为基础，利用胶体自组装，结合刻蚀等工艺，研究人员成功仿制和发展了各种人工仿生结构。例如，通过对自然界中许多鸟类羽毛和昆虫外壳的研究，人类发现它们的色彩源于一种光子晶体结构，因此制备出了人工结构色 (见图1，图2)。

图1 结构色与光子晶体 (a) 大闪蝶及其蓝色翅膀中的纳米结构(即生物光子晶体) 的扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM) 图; (b) 孔雀羽毛及其蓝色部分的二维纳米结构的透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM) 图; (c) 大紫蛱蝶的翅膀及其白色部分的三维微观结构的SEM图[1]; (d) 从左到右分别是一维、二维、三维的光子晶体结构示意图[2]

图2 人工结构色 (a) 直径为850 nm 的二氧化硅大颗粒形成的二元胶体晶体薄膜的SEM 图像[3]; (b) 直径为150 nm 的聚苯乙烯小颗粒形成的二元胶体晶体薄膜的SEM 图像[3]; (c) 二氧化硅微球形成的二维胶体晶体; (d) 白光照射下, 晶圆级尺寸的胶体晶体(图(c)) 薄膜呈现出的结构色[4]

相比于平衡自组织，非平衡自组织现象在我们日常生活中更加普遍。例如，大气湍流，海洋环流和细胞骨架的形成都是非平衡自组织的结果。通过非平衡自组织，热力学体系可以形成各种动态、稳定、有序的结构。生命体作为远离平衡态的高度有序的活性物质，不仅能实现各种生物功能，更重要的是能对外界环境的变化和刺激做出响应和适应性调整，有自修复功能。例如，由双层磷脂分子构成的细胞膜具有很强的形变和适应能力。具有活性的动态智能结构是下一代人工材料的发展趋势，但如何实现这种具有生物活性的动态非平衡结构，目前还是一个难题。鉴于生物体系中的功能性结构通常形成和工作于非平衡态，通过耗散能量来维持，非平衡条件下自驱动体系的动态自组织是实现活性结构的一个可能途径。

图3 自然界中的非平衡自组织结构 (a) Benard 对流花纹[5];  (b) 细胞骨架[6]

非平衡自组织现象不仅存在于生物体内，也广泛存在于生物群体行为中。在自驱动（活性）系统中，鱼、鸟、细菌等个体在一定条件下通过非平衡自组织可以形成群集、涡旋、螺旋等集体运动。在自驱动体系集体运动理论工作的推动下，研究人员发展出多种自驱动实验体系，如细菌群、细胞群、微型智能机器群、自驱动胶体体系等用于研究集体运动背后的非平衡自组织的物理机制。这里，自驱动胶体体系具有最显著的优势：胶体颗粒的外形以及胶体颗粒间的相互作用力可根据需要进行设计和调控，并且自驱动胶体可以通过磁场、电场、光、机械振动和化学反应等方式驱动。研究发现，自驱动胶体体系中的非平衡态结构展现出平衡自组织结构不具备的特点：能对外场的变化产生响应，能重构。但和生物体中典型的活性结构相比，目前实现的动态自组织结构仅限于单粒子层次上的自组织，其次，已有的动态结构仅限于局部的有限区域。

物理学家很早就发现周期性振动会在颗粒物体系引起颗粒的对流, 并形成稳定的斑图结构。调控振幅和振动频率，可改变斑图的空间结构和特征尺寸。因此，若我们尝试在自驱动胶体体系中引入周期性驱动，周期性的外场与体系内某一动力学过程的时间尺度相匹配时，有可能激发出一些复杂的动态结构（如“时-空晶体”）。