游动藻类悬浮液中椭球示踪粒子的动力学

浸没在活性流体中的被动示踪粒子的增强扩散是活性流体的一个普遍特征，近年来已被广泛研究。类似于平衡态复杂流体的微流变学，这种异常的增强粒子动力学揭示了活性流体的内禀性质。然而，先前的研究表明，无论活性粒子是推动者还是拉动者——活性流体的两个基本类别——球形示踪粒子的平动动力学在定性上是相似的。是否有可能仅仅通过成像被动示踪粒子的动力学来区分推动者和拉动者？在此，我们研究了椭球在莱茵衣藻（C. reinhardtii）悬浮液——一种拉动者型活性流体模型——中的扩散。结合我们先前关于推动者型大肠杆菌（E. coli）悬浮液的结果[Peng et al., Phys. Rev. Lett. 116, 068303 (2016)]，我们展示了由于非对称示踪粒子的旋转自由度，其动力学在推动者和拉动者中表现出深刻的差异。尽管在实验室坐标系中，椭球的平动和转动在推动者和拉动者中均得到增强，与球形示踪粒子相似，但椭球在体坐标系中的各向异性扩散在这两类活性流体中呈现出相反的趋势。当浸没在拉动者中时，椭球沿其长轴扩散最快；而在推动者中，则沿长轴扩散最慢。这一显著差异可以用一个简单的流体动力学模型进行定性解释。此外，我们对藻类悬浮液的研究揭示，藻类游动流的近场平流对椭球平动和转动的影响表现出不同的范围和强度。我们的工作不仅为活性流体的普适组织原理提供了新的见解，也为检测活性粒子的类别提供了一种便捷的工具。