烷烃|Nature子刊：油滴“游泳”，姿势少见( 二 ) 机器人

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表面活性剂诱导油性微液滴变形机制示意图。图片来源：Nature[4]
处于这种状态时，油性微液滴内部的分子排列还是相对混乱的，而油水边界附近的分子由于表面活性剂的诱导，已经具有一定规则，因此将优先排列整齐。随着温度降低，弹性张力导致微液滴被拉直，由圆形向多边形转变。

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烷烃冷却结晶时的形状转变。图片来源：Nature[4]
相比于之前Nature的工作，这项工作中的微液滴“游泳机器人”的形成需要满足两个主要条件：表面活性剂具有更长的烷基链，以及较慢的降温速率促进纤细而有弹性的“尾巴”生长。微液滴表面在降温过程中发生了塑性相变，促使其尖锐的拐角处形成相缺陷，并在弹性张力作用下进一步变形，以产生弹性“尾巴”的方式释放出来，进而推动微液滴游动。

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微液滴“游泳机器人”的主要运动参数。图片来源：Nat. Phys.
通过对微液滴运动参数进行量化，研究者发现，微液滴“游泳机器人”速度大约在0.1~0.7 μm s?1之间，并且随着液体的冷却速率加快而提高，二者基本呈线性关系。在相同的降温速率下，单尾微液滴的游泳速度也高于双尾微液滴。这是由于相同的降温速率下，油滴表面的塑性相形成速率相同，挤出两条“尾巴”的速率一样，两条“尾巴”不可避免地有点相互干扰，因此单尾更有利于推动微液滴向单一方向运动。

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微液滴“游泳机器人”游泳速度研究。图片来源：Nat. Phys.
通过建立弹性流体力学模型，研究者还准确预测了双尾微液滴的“游泳”方向，及其波动的角度范围。更有趣的是，凝固前微液滴的塑性相变是可逆的。正如开始的动图中看到的那样，温度升高后，微液滴会将生长出来的“尾巴”收回去。

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微液滴游泳运动预测。图片来源：Nat. Phys.
这种微液滴“游泳机器人”的魅力在于，通过自发地自组装实现了简单的机械推进。除了实际应用之外，这些微液滴还可以为物理学家和生物学家提供一种工具，将复杂的系统简化为简单的运动现象，并从中获得灵感，比如单衣藻类生物体，如何利用两条鞭毛实现自由游动等。

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微液滴“游泳机器人”升降温变化示意图。图片来源：Nat. Phys. [5]
“这是一种新型的推进机制，它利用被挤出纤维的弹性来实现运动”，荷兰莱顿大学的物理学家Daniela Kraft评论道，“这是一项漂亮的工作”[6]。
Rechargeable self-assembled droplet microswimmers driven by surface phase transitions
Diana Cholakova, Maciej Lisicki, Stoyan K. Smoukov, Slavka Tcholakova, E. Emily Lin, Jianxin Chen, Gabriele De Canio, Eric Lauga & Nikolai Denkov
Nat. Phys.,2021, DOI: 10.1038/s41567-021-01291-3
参考文献：
[1] F. Soto,et al. Medical Micro/Nanorobots in Precision Medicine.Adv. Sci.,2020,7, 2002203. DOI: 10.1002/advs.202002203
[2] D. Walker,et al. Optimal Length of Low Reynolds Number Nanopropellers.Nano Lett.,2015,15, 4412-4416. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01925
[3] E. Han,et al. Low-Reynolds-number, biflagellated Quincke swimmers with multiple forms of motion.PNAS,2021,118, e2022000118. DOI: 10.1073/pnas.2022000118
[4] N. Denkov,et al. Self-shaping of oil droplets via the formation of intermediate rotator phases upon cooling.Nature,2015,528, 392-395. DOI: 10.1038/nature16189