活性极性流体中由运动诱导的聚集与中尺度湍流

中尺度湍流最初在各类游动细菌悬浮液以及活性胶体的集体运动中被实验观察到。相应的大尺度动力学模式在一个简单的极性流体模型中得以重现，该模型假设活性粒子密度恒定。近期更细致的实验研究揭示了其他有趣方面，如反常速度统计与聚集现象。这些现象无法由现有活性极性流体模型解释。在此，我们将 Dunkel 等人提出的连续介质模型推广，以纳入密度变化以及局域密度与活性粒子自推进速度之间的反馈。若速度随密度下降得足够强，所得模型的线性稳定性分析表明：除原模型的短波不稳定性外，还会出现长波不稳定性。这通常在高密度极性活性粒子中观察到，并类似于标量活性物质中著名的运动诱导相分离（MIPS）现象。我们确定了一个指示线性不稳定性的简单相图，并对相应参数空间中的各个区域进行了系统的数值模拟。已充分理解的短程不稳定性与长程不稳定性之间的相互作用导致了有趣的动力学及关于成核与粗化过程的新现象。我们的模拟结果展示了丰富的新图案，包括具有动态变化的无规则形状边界的域相分离。在所有系统分离为高、低密度区域的相中均观察到反常速度统计。这为近期细菌悬浮液实验中出现此类现象提供了简单解释。