我国学者在复杂环境中的细菌运动领域取得进展

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2221001）等资助下，中国科学院物理研究所彭毅研究员及其合作者发现，游动细菌在固–液界面的富集现象在几何限域条件下显著减弱，甚至发生反转，并进一步确定这一行为源于游动细菌所产生的力四极子水动力效应。相关研究成果以“空间约束降低游动细菌的表面富集效应 (Confinement Reduces Surface Accumulation of Swimming Bacteria)”为题，于2025年10月28日发表在国际学术期刊《物理通讯快报》 （Physical Review Letters）杂志上，论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dvc8-tlh1。

　　细菌在固–液界面附近的运动不仅是一个重要的生物学现象，更是连接低雷诺数流体力学、非平衡统计物理与生命功能的核心物理问题，对基础研究和实际应用均具有重要意义。在单一固–液界面附近，游动细菌通常发生显著富集，这一行为源于细菌推进所产生的力偶极流场与位阻作用的共同耦合。然而，在真实环境中，细菌往往处于高度受限的几何空间中，限域效应如何影响其近表面富集行为仍缺乏系统认识。

　　本研究通过快速共聚焦显微技术与失焦荧光显微术，系统考察了游动细菌在平行板限域条件下的空间分布与动力学行为。实验结果表明，随着限域程度的增强，细菌在表面的富集显著减弱，并最终转变为中央平面富集，这一发现突破了基于单一边界情形所得出的传统认知。实验直接测量了细菌的空间密度分布、表面逃逸几率以及近壁游动轨迹，清楚地表明几何限域不仅改变了体系的稳态分布，还显著增强了细菌从表面的逃逸能力。结合理论分析与数值模拟，研究进一步揭示了高阶水动力相互作用——力四极子——转动界面附近的细菌帮助其逃离，并且这一作用随着限域增强而增强，这为上述实验现象提供了统一而定量的物理解释。该工作在实验上确立了几何限域对活性粒子界面行为的关键调控作用，对理解自然与工程环境中活性物质的非平衡分布具有重要意义，同时也为微流控系统、抗污材料及活性物质器件的设计提供了坚实的物理依据。

图 上：细菌的密度空间分布；下：力偶极子和力四极子流场对细菌的作用