近日，物理学院郑宁课题组与中科院物理所杨明成研究员、南洋理工大学倪冉教授、中国石油大学（北京）宁鲁慧副教授合作，在复杂环境中的活性扩散领域取得重要进展。相关成果发表于Communications Physics (Commun. Phys. 9, 157 (2026))和Nature Communications (Nat. Commun. 17, 7030 (2026))。在Commun. Phys. 9, 157 (2026)工作中，研究团队通过实验与理论相结合，系统研究了手性活性布朗粒子(CABPs)在可变形、可移动障碍物构成的动态可重构介质中的扩散行为，发现其扩散系数随障碍物密度呈现显著的非单调依赖关系，最大增强幅度可达两个数量级，并揭示了障碍物诱导的运动准直特性与迁移速度之间的竞争机制。在Nat. Commun. 17, 7030 (2026)工作中，研究团队结合颗粒实验与计算机模拟，系统研究了活性示踪粒子在结构异质环境中的长时扩散行为，建立了适用于活性体系的普适扩散-结构标度律，揭示了粒子的方向持续性在调控活性输运中的关键作用。研究工作获国家自然科学基金等资助。

研究背景

活性物质是由自驱动单元组成的一类重要软物质系统，这些粒子能够将自身存储的能量或周围环境的能量转化为自身的动能。从纳米尺度的分子马达，到微米尺度的细菌，再到宏观的鱼群与鸟群，活性物质广泛存在于自然界与人工系统中。

活性物质的扩散，是一个经典又重要的问题。目前研究CABPs的扩散，所采用的背景往往是固定的，不可变形的，而真实的情景，比如细胞运动、血栓消融，这些障碍物背景往往是可移动的，可变形的。由此凝练出第1个科学问题：手性活性粒子在可移动可变形的障碍物背景里面如何扩散？为了寻找活性扩散和背景结构信息的定量关系，人们已通过解郎之万方程得到自由背景下单个活性粒子的扩散系数，并进一步写出平衡态下扩散系数D和结构熵S₂之间的关系式，随后在胶体实验系统里面得到验证(Phys. Rev. Lett. 122, 178002 (2019))。这个关系式是在平衡态下建立的，描述的是惰性粒子的扩散，由此面临第2个科学问题：活性粒子的扩散和背景结构是否存在内在关联。

研究亮点1：手性活性布朗粒子在柔性介质中的反常扩散

研究团队通过改装Hexbug机器人设计宏观模型，构建环形通道与不锈钢软环障碍物系统，制备五种不同旋转半径的粒子，提取角向均方位移及扩散系数(图1(a)-(d))。研究发现：在柔性障碍物环境中，粒子扩散呈现“先增强后抑制”的非单调特性，小半径粒子的扩散增强幅度可达两个数量级(图1(e))。

机制分析表明，粒子运动存在“局域捕获态”与“长程迁移态”的动态交替，这一动力学异质性是宏观扩散行为的核心决定因素。柔性可移动障碍物通过动态重构形成临时通道，产生“运动准直效应”，促使粒子从圆周运动转向定向迁移；而碰撞导致的能量耗散则抑制粒子速度。二者竞争主导了非单调扩散行为。粒子旋转半径显著调控扩散响应：小半径粒子受准直效应提升更显著。基于实验数据构建含平动与旋转摩擦系数的唯象理论模型(图1(f))，成功复现非单调扩散规律，揭示了手性—活性—环境耦合机制。

本研究为理解生物体内活性粒子的迁移提供物理模型，也为微纳机器人靶向输送、微流控分选等应用奠定理论基础。

图1 手性活性布朗粒子在可变形软环障碍物中的实验装置、运动轨迹、扩散非单调增强及竞争机制理论描述。

研究亮点2：复杂介质中活性扩散的普适标度律

研究团队利用3D打印的倾斜腿颗粒作为活性示踪粒子，在电磁振动平台上构建无序及有序（六角、四方晶格）的准二维异质环境(图2(a)-(b))，系统测量了不同活性下的长时扩散系数和结构熵。研究发现，建立在平衡态体系的、传统的扩散-结构关系在活性体系中完全失效：不同活性的数据分散在各自的曲线上，无法坍缩到单一主曲线(图2(c))。不同活性对应的曲线各自遵循各自的趋势，每条曲线对应着一个与活性相关的拟合参数A。这说明，源于平衡态体系的标度律，无法统一描述非平衡态的动力学。

为破解这一难题，团队从物理机制出发，指出活性粒子的定向持续运动使其有效相互作用范围相比于平衡态扩大了倍，从而引入无量纲持续长度，并重新定义了修正的无量纲扩散系数。利用这一修正标度，跨越不同活性、不同背景结构及不同自推进机制的所有实验数据全部标度到一条普适主曲线上，与研究团队提出的标度关系完全吻合，并且只需要唯一的拟合参数A=1 (图2(d))。至此，研究团队在复杂介质中，通过结构熵S₂和持续长度Q，建立起跨越平衡态和非平衡态的普适标度律。

研究团队进一步通过模拟来验证这一标度关系的普适性：用ABP模型模拟Janus粒子，用RTP模型模拟类似细菌的微游泳体，用AOUP模型模拟活性浴驱动的惰性粒子的动力学。每种模型都考虑欠阻尼和过阻尼两种情况。与实验结果类似，在这六种模型下，利用传统关系式(图2(e))处理的数据点都是离散分布的，并没有标度到一起，这表明平衡态下的标度关系无法统一描述非平衡态下、不同活性的扩散行为。但研究团队使用引入持续长度后的、新的标度关系重新处理这些数据时，所有的模拟结果，不管微观动力学细节是什么样的、不管有没有惯性效应、不管背景结构有多么复杂，数据都塌缩到一条曲线上，并且与紫色所表示的新的标度关系完全吻合，而且只需要同一个拟合参数A=8 (图2(f))。

至此，研究团队建立了一个适用于复杂介质中活性扩散的普适标度律，可以通过两个参数来预测活性扩散的长时扩散系数。结构熵S₂描述背景的复杂特性，持续长度Q抓住了活性定向运动的持续特性。这个标度关系非常鲁棒，适用于平衡态、非平衡态、各种活性驱动机制，以及各种复杂背景结构。该标度律为理解和调控复杂介质中的活性输运奠定了理论基础。

图2复杂介质中活性扩散的实验装置、典型轨迹，以及平衡态体系标度律在活性体系中的失效与修正后的普适标度验证。

文章信息：

Qun Zhang1, Yuxin Tian1, Xue Zhang, Xiaoting Yu, Hongwei Zhu, Ning Zheng*, Luhui Ning*, Ran Ni*, Mingcheng Yang* and Peng Liu*

¹These authors contributed equally: Qun Zhang, Yuxin Tian.

Correspondence to Ning Zheng, Luhui Ning, Ran Ni, Mingcheng Yang or Peng Liu.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-73626-8

文章信息：

Kexin Zhang, Yuxin Tian, Xiaoting Yu, Hongwei Zhu, Yanwei Li, Mingcheng Yang*, Peng Liu*, Ning Zheng* and Luhui Ning*

Correspondence to Mingcheng Yang, Peng Liu, Ning Zheng or Luhui Ning.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s42005-026-02591-x