颠覆流体力学认知的全新形态液体

主动流体将有可能改变现有的流体输送格局，有助于人类建造全新形态的大型机械设备。...

当你向前用力推一个物体时，你自然期待它会向前加速，但如果一个物体具有负质量，会发生什么呢？

熟悉牛顿第二定律的人都知道，它可以用方程式F=ma表达，或者说力等于物体的质量乘以加速度。如果我们把它重新携程加速度等于力除以物体质量（a=F/m），并且使质量为负，那么加速度就为负。

没错，这就意味着当你推一个质量为-2kg的物体时，它不会往你推的方向加速，而是会向后加速。这听起来有点不可思议，因为物体怎么可能有负质量呢？

在纸上，物质的确可以具有负质量，就类似电荷可以拥有正电荷和负电荷。但是科学家一致在争论具有负质量的物体是否可以不打破物理定理（比如能量或者质量守恒）的情况下存在。

这听起来似乎完全不可能，但是并不意味着它就是不可能的。几年前，宇宙学家就提供了宇宙中可以存在负质量的证据，并且不违反广义相对论。

不仅如此，有许多物理学家都把负质量和宇宙中最奇异的现象联系在一起，比如暗能量、黑洞和中子星。因此，研究人员一直活跃于尝试在实验室中创造出这种现象。

现在，华盛顿州立大学的研究人员称他们已经成功地制造出表现的像负质量的超低温原子流体。为了制造这种奇怪的流体，他们使用激光将铷原子冷却至接近绝对零度，形成玻色-爱因斯坦凝聚。

在这个状态下，粒子移动的非常之慢，并完全由量子力学支配。这些粒子也会开始同步，并且步调一致的移动，形成所谓的超流体。

在该项成果中，研究者Forbes表示，像电荷有正负之分一样，物质也有负质量（Negative mass）。符合牛顿第二运动定律的都是正质量的物体，推动正能量物体时，物体会沿着力的作用方向运动。而负质量物体则完全相反，当给予推力时，它不进反退，向后加速运动。Forbes表示负质量物质“就像会碰到了一面看不见的墙。”除了牛顿第二定律外，还有牛顿第三运动定律，当一个小球撞击另一个小球，这两个小球应该相互撞开。但如果其中一个小球具有负质量，那么这两个小球相撞后应该会朝相同方向加速。事实上，在负质量物质的研究，早在上世纪90年代美国宇航局就有在太空飞船领域探索负质量可能产生的效应，不过当时就像澳大利亚悉尼大学的阿尔奇尔·科巴希泽（Archil Kobakhidze）所说，根据量子理论力学，关于质量的方程式都是以平方形式出现的，正负质量最后都是以正数结果呈现，所以在当时负质量被认为是没有实际意义的。

不过现在美国研究员发布的这项成果推出后，关于负质量超流体的研究应该会引起科学界的更多关注。这项在科技界的新成果，Forbes表示，成果确定是无误的，不过还需要更多其他研究团队来一起验证成果的真实适用场景。

关于这项与正质量物质相反的负质量超流体，国外读者们也有脑洞大开的各种想法，比如说有没有负脂肪的食物，越吃越轻松，“将世界各种正常的流程都想象成反方向进行，这会有多少可能？”这项科学研究成果从认识上来看是有趣的，大家也不妨好好想象世界相反的状态，会有什么好玩的事情出现？

人往高处走，水往低处流。流体的运动向来是受外力驱动的。为了将水、油等液体从一个地方

然而，一队来自美国的科学家却发明了一种全新的物质：这也是一种液体，但与传统液体不同，它不需要泵等外力，而是依靠自身的动力，就可以沿着管线流动！这种主动流体将有可能改变现有的流体输送格局，有助于人类建造全新形态的大型机械设备。该论文发表在3月24日的《科学》(Science)杂志上[1]。

瀑布需要重力一泻而下，家里的自来水可以流出则是水泵的离心力在不停地对抗重力，使之逆着重力的方向流入高楼大厦的管道里。如果没有外力，比如在宇宙空间站中，液体就会维持原有运动状态(如相对静止)，除非宇航员碰一下，否则哪里也不会去。

这是我们熟悉的世界，也是现代流体力学建立的基础——液体需要外力作用才能运动。在包括重力在内的各种外力的作用下，液体会呈现出层流、湍流等多种形态。从伯努利开始，直到在包括钱学森在内等众多科学家的努力下，流体力学的发展为人类上至航空航天、下至自来水管的现代社会做出了卓越的贡献。

在轨运行的宇宙空间站中的液滴。由于没有外力的作用，液滴静止地悬浮在空间站的舱室里，在表面张力的作用下，形成一个完美的球形。如果宇航员不吹一口气，它自己是不会动的[2]。

本来，固体也是一样的，不受外力也不会动。然而，人类科技却给一些固体(比如汽车)装上了马达，只需消耗燃料，这些固体大块头就可以在看似没有外力的驱动下(比如一匹牵引的马)自己移动。汽车的英文“automobile”就是自己会动的意思。

固体组成的机械因为有固定的形状，可以在固定的位置安装马达等动力系统，从而实现自主运动。但给无固定形状的流体装一个马达，让其可以自己沿着管道爬进水管，爬上高楼大厦，听上去就绝对是异想天开了。

然而，3月24日的《科学》杂志上，却登出了这样一篇论文。美国布兰迪斯大学(Brandeis University)材料研究科学与工程中心的科学家们借助生物科技，给液体装上了分子马达，发明出一种可以无需借助外力、只依靠自身动力就可以流动的主动流体。只要这些马达的燃料——ATP(三磷酸腺苷，细胞内传递能量的分子载体，是细胞进行几乎所有活动的“汽油”)不耗尽——这种全新的流体就可以自己沿着管线前进[3]！这些流体没受任何外力的作用，就“喝”了点ATP，就可以自！己！流！

这项研究为人类开启了一扇全新的大门：这是一种有别于已知所有流体的全新“物质”。如果更多的、更高效的类似流体被研究出来，无需水泵等装置，人类就可以把流体送到各个角落。就像只需铺设铁轨，火车就可以自己跑一样，只需铺设管线，石油、水就可以自己到达！

如此神奇的表现显然不是普通流体做得到的。科学家们利用细胞运动的原理，使用了生物原材料，制造出了一种组成结构十分精巧的液体。下面就是一个结构单元的示意图：主动流体核心结构单元。由三大部分组成：马达、微管、胶束。胶束通过排空效应把两个微管平行地挤在一起。微管间的马达与两个微管同时连接，并向两个微管的正极运动，导致该微管系统缩短、延长、分离、再与其他微管连接。正式这种基于生物原料的微观结构，实现了主动流体的微观流动。

该单元由三种细胞内常见的大分子结构组成：1)微管、2)马达、3)胶束。下面，我们就逐一解释一下它们各自是什么，以及为什么这三种结构就可以让流体自己动起来。

1)微管(上图中绿色长管)：

微管(英语：Microtubule)是一种由蛋白组成的细长、中空的圆柱体。它们遍布于生物细胞内的许多地方，是细胞的一个非常重要的结构。细胞之所以可以维持一定的形状，或者在需要的情况下改变自身的形状，便是有赖于微管和其它结构组成的“细胞骨架”。

细胞骨架是一个非常复杂的系统，通过自身的生长、收缩、弯曲等变形，细胞才得以实现形状的改变，以适应不同的环境。细胞内复杂的微管系统。它们维持着细胞的形态，并支持着细胞内各种物质的运输。(中间没有微管的中空圆球为细胞核所在的位置)

此外，如果把细胞比作一个建筑，微管除了是这个建筑的钢结构，还是建筑的供应管线。微管是细胞内各种物质的重要运输平台，并参与许多重要的活动，比如中学生物中熟悉的“有丝分裂”的“丝”，就是由微管组成的。而在主动流体中，也正是由于微管的运动，才实现了流体的运动。

然而，微管自己是不会动的。微管的运动，需要与之搭配的“分子马达”：一种可以在微管表面做相对运动的结构。

2)马达(图中微管之间的红色连接)：

所谓的分子马达，是一种叫做驱动蛋白的东西。本研究中，分子马达是主动流体的动力来源。驱动蛋白位于微管上。微管存在极性，驱动蛋白会在微管上朝向一个方向运动。主动流体中，两跟微管被按照相反的极性平行放置，同时连接两根微管的驱动蛋白就会让这两跟微管相对滑动。

3)胶束：

那么，又是什么让两根微管乖乖待在一起，而不分开呢？答案是胶束(图3中周围的紫色颗粒)。在一种叫做“排空效应”的力的作用下，分子较大的微管被分子较小但数量多得多的胶束挤压到了一起。

本研究中[4]，科学家从牛的大脑细胞内提取了微管。在胶束的约束和马达的驱动下，这些微管通过自身的缩短、延长、分离、重建，带动着周围的水性溶液跟着一起运动，从而形成微小的湍流。带有微管结构的流体由普通湍流变为宏观平行流的过程。当流道较浅时，分子马达驱动下的微管系统杂乱无章(右上)，细小的湍流各自为战(右下)，组成混乱、随机的流动格局。然而，当流道加高时，更多的微管与流道表面结合，形成相互平行的系统结构(左上)，而这些微管形成的湍流竟然可以相互作用，推动周围流体沿着圆盘平行绕圈(左下)，实现宏观上的、携带大量动能的自主主动流动！

这种由小湍流合成的宏观平行流动的方向是随机的，可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。然而，如果对圆弧形流道的表面稍加改变，在表面增加一些锯齿形的凹凸结构，科学家们就可以进而控制流动的方向。

更进一步，科学家们设计了很复杂的管路来测试主动流体的“智力”水平。实验发现，不论是直道还是弯道，主动流体都会从容流过，但如果是末端封死的死路，它们还会很聪明地停下。这让科学家们意识到，使用这种主动流体构建复杂流体输运网络、甚至依赖主动流体设计全新机械设备的可能性。主动流体还很聪明，死路它们还不过去！

当然，这只是人类发明的第一种主动流体，依赖难以获取的牛脑细胞，和最多几个小时就会耗尽的生物能量。

不过，实验中的管路虽然只有1毫米宽，但相对于直径十几微米的微管来说，这已经是非常巨大的尺寸了。而且，科学家们发现，形成自组织平行流动的条件非常宽泛，在许多不同尺度下都可以实现。

这一令人欣喜的发现意味着，人类将有可能在此基础上，进一步开发出更多的主动流体。在较微小的尺度上，布兰迪斯大学的这一团队已经实现了用生物原料制造微观流体机械的可能性。下一步，我们期待科学家们可以使用非生物原料、制造出更加宏观尺度的主动流体，让人类对流体的了解和应用站上一个全新的高度。

也许有一天，当人们需要把石油从油田运到炼油厂时，将不再需要复杂的管网与精密的压力控制，而是只需告诉石油哪里需要它，它就可以自己克服关山险阻，聪明准确地流过去呢！

[1] Goodman,L.(n.d.).Inventing a new kind of matter.

[2] Henkin,G.,DeCamp, S. J., Chen, D. T. N., Sanchez,T., &Dogic;, Z. (2014). Tunable dynamics of microtubule-based activeisotropic gels. Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 372(2029), 2014.01.42–2014.01.42.

[3] Sanchez,T.,Welch,D.,Nicastro,D.,&Dogic;,Z.(2011).Cilia-Like Beating of Active Microtubule Bundles.Science, 333(January), 22–25.

[4] Wu, K.-T., Hishamunda, J. B., Chang, Y.-W., Fernández-Nieves, A.,Dogic,Z.(2017).Transition from turbulent to coherent flows in confined three-dimensionalactive fluids. Science, 355(6331).

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