西北大学物理学院软物质物理实验室（SMPL）创建于2009年，主要教职人员包括经光银教授、张策教授、刘亚楠教授、罗昊副教授、孙耽副教授、冯伟工程师等主要教职人员。聚焦软物质与生物物理的基本规律、新奇现象、物理机理研究，以及在群体智能与医学健康等方面的应用。主要关注活性物质物理与远离平衡态物理新兴前沿交叉研究，以生命活性物质、微生物、细胞为模型系统，以显微光学影像与图形识别分析为基础平台，自主研发高分辨微游泳体追踪平台、数字化微流控芯片技术，探究生命物质自主运动的物理规律、智能软物质的演化算法与实验操控，以物理视角为出发点，结合凝聚态物理、统计物理、流体力学、分子生物学、数值计算与数学建模方法，理解主动物质在生命过程中由简单到复杂，从单个到群体转变中，及生命形态与阶段由低级向高级发展过程中的物理学原理与定律，并能为医学健康中相关实际问题提供物理依据与技术方法。

软物质与生物物理属于软凝聚态物理，著名的理论物理学家Piere-Gilles de Gennes (徳热纳)在1991年获得诺贝尔物理学奖时，以Soft Matter（软物质）为演讲主题，宣告了软物质学科高光地进入人们的视野，让包罗万象、时刻触及却熟视无睹的物质如液滴、胶水、塑料、肥皂泡、生物膜及生命物质软组织等物理学家无暇顾及的“dirty system”走进物理定律与方程，更是以徳热纳个人独特学术魅力与人格，更以其迷人研究风格感召了一批批科学与技术的探险者。在过去几十年发展起来的经典软物质物理基础上，当前活性物质物理，被称为“活物质（Living matter）”的生命物质迅猛称为软物质物理的前沿，“Physics of Life”以其丰富内涵让这个领域成为生物物理与凝聚态物理的桥头堡。我们课题组将目光投向小尺度下物质/活物体的自主运动，探索“活”物质所遵循的物理规律，理解微尺度“主动”能量输入/转换的远离平衡态特性，探索信息处理、反馈响应与控制在简单生命体智能层面的有趣现象与问题，主要研究兴趣包括：

• 活性系统边界扩展；

• 微生物与微游泳体的主动运动策略与调控；

• 自主运动体的集群行为以及生命体的群体智能；

• 细菌在活性流体、血液、粘液中的游动动理学及其医学应用。
  
  

简介：

（1）我们将布朗运动被动粒子拓展到一类“主动”粒子即细菌游动，此系统成为一个新的研究领域，即主动物质（Active matter）， 不同于寻常的非平衡态，例如细菌体系中粒子单元的局域化能量输出与耗散使系统偏离平衡态，甚至远离平衡态，这就给现有物理学提出了新的挑战。

Fig1. 微流控PDMS管道中细菌趋流运动显微观测。控制参数为Flow rate，与高度h，两者同时确定细菌所处位置的局域剪切率，流场为泊肃叶流，在宽度方向上可以认为剪切恒定（除了侧壁附近区域），而高度方向（z）线性剪切。定义导航角为\Psi, 仰角为\theta.

Fig2. 实验发现细菌在剪切流中，细菌的趋流沿着涡度（vortocity）方向，即正剪切（半高度以下部分）细菌游向左侧，而负剪切部分细菌游向右侧，且在低剪切下，细菌的趋流偏移速度vy与剪切率成正比。

细菌在水环境或生命体内的自驱动运动与物质输运，是支撑着许多微观与宏观生命活动的核心，通过研究细菌运动物理规律与生物功能活动的关联，理解生命体活动、演化规律，进而为防治微生物污染、医疗健康提供可控方法等实际应用。微生物如细菌总是在有界流体环境中开展生命活动，对于有限空间的环境，最常见的便是液体-固体界面对细菌运动产生限制效应。从原理上说，细菌的运动遵循流体力学的基本方程，其中核心的动力学方程纳维-斯托克斯方程，通常假定细菌的运动的环境流体在液体-固体边界遵循不可滑移边界条件，即固壁的速度与其临近的流体速度连续。如果介绍了界面滑移则对对细菌行为的影响将十分显著，界面在开放体系下的运动对于细菌液滴的蒸发、材料开放表面的抗菌等是非常有意义的。我们将构建一种特定的管道，形成收缩-扩展的几何管道形状，从而测定与理解细菌在这类特殊受限管道空间中的运动行为。

Fig 3. 细菌通过旋转其螺旋式的鞭毛，从而获得推进往前游动，从物理角度当作一类自驱动粒子，区别与被动布朗运动粒子，细菌个体在微观层面上将能量输入系统，将系统带到远离平衡态。在这里，我们研究单个细菌自驱动运动在界面受限下特殊的运动行为。图中显示光学显微镜下，通过单粒子追踪技术（PTV）显示的单个细菌运动的复轨迹。

（2）细胞作为生命体最基本的功能单元之一，其迁移运动与内部肌动蛋白丝（Actin filament）的动态过程紧密相关。这类肌动蛋白丝可当作柔性链来建模，理解这类柔性链在经典流场中的运动、形态演化等细节可模型化细胞迁移、拥挤、通讯交流等过程提供物理模型。进一步，同活性流体模拟细胞内部复杂环境与流场，从而提供更多实际细节来理解细胞等基本运动。

Fig 4. 细菌运动搅动的流场，在特定条件下形成关联相干流场，为我们提供来一类有趣的、特殊的、重要复杂活性流场。

（3）细菌往往在复杂流体与复杂流动环境中开展生命运动，尤其以鞭毛驱动实现空间净位移，除了淡水这种简单液体以外，细菌耐以生存的大量复杂黏液包含聚合物与活性生命物质，这种非牛顿粘弹聚合物流体可与细菌持续交换动量与能量，从而改变细菌的运动行为。同时，流动的粘液还能诱导细菌做跨越流线的反常运动，另外，在复杂介质的边界上，气-液-固三相界面的界面张力对细菌运动增加了额外约束。然而，这些复杂流体与流动及复杂界面如何影响细菌游动策略与规律尚未可知。