一項新的研究深入探討了推進速度隨方向變化的活性粒子的行為。他們發現，這些粒子會形成非圓形的粒子群，並且有持續不斷的粒子流進入和流出。這項研究對潛在的粒子組裝控制意義重大，對創造可程式物質和醫療技術的進步也有影響。

研究人員在由粒子組成的系統中發現了以前未知的物理效應，這些粒子的推進速度取決於它們的運動方向。

以自推進粒子（即活性粒子）為重點的研究領域正在迅速擴大。在大多數理論模型中，這些粒子被假定保持恆定的遊動速度。然而，這個假設對於許多實驗產生的粒子來說並不成立，例如醫療應用中由超音波推動的粒子，它們的推進速度隨方向而變化。

由明斯特大學的拉斐爾-維特科夫斯基（Raphael Wittkowski）教授和劍橋大學的邁克爾-科特斯（Michael Cates）教授領導的物理學家團隊進行了一項合作研究，探索這種與方向相關的速度如何影響粒子系統的行為，尤其是在形成團簇的過程中。

他們將電腦模擬與理論分析相結合，揭示了具有取向相關速度的活性粒子系統的新效應。研究成果最近發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌。

從物理學的角度來看，有趣的是，由許多活性粒子組成的系統可以自發地形成簇群–即使單一粒子之間根本沒有相互吸引。在測量模擬粒子的運動時，研究人員發現了一個特別令人驚訝的結果。

第一作者、明斯特大學理論物理研究所的史蒂芬-布羅克（Stephan Bröker）博士解釋說：「通常情況下，從統計平均值來看，這種粒子簇中的粒子只是停留在原地。基於這個原因，我們曾預期這裡的情況也會如此。但事實上，物理學家們發現了另一種情況：粒子不斷地從粒子簇的一側移出，又從另一側移回，從而產生了一種永久性的粒子流。”

與”正常”情況還有另一個不同之處：在活性粒子系統中形成的粒子簇通常是圓形的。然而，在所研究的粒子中，粒子團的形狀取決於粒子的方向對其推進速度的影響程度–這可以由實驗者來規定。

共同第一作者延斯-比克曼（Jens Bickmann）博士解釋說：”至少從理論上講，我們可以讓粒子排列成我們想要的任何形狀。”

“可以說，我們可以用它們作畫”。在模擬中，研究人員觀察到了橢圓形、三角形和正方形。”維特科夫斯基團隊的邁克爾-特弗魯格特博士也是這項研究的共同作者之一。對於技術應用–例如，實現可編程物質，必須能夠控製粒子自我組裝的方式–而我們的方法確實可以做到這一點。”

背景： 生物學中有大量活性粒子的例子，例如游泳的細菌或飛翔的鳥類。如今，也有可能實現人工活性粒子（奈米和微型機器人）：例如，目的之一就是將它們植入人體，以便有針對性地運送藥物。