《国家科学院院刊》

流体动力学方程可直接测量水动力参数

美国麻省理工学院Alexander Mietke和Jorn Dunkel研究组开发出从粒子模拟和实验中学习活性物质的流体动力学方程。相关成果日前发表于美国《国家科学院院刊》。

高分辨率成像技术和基于粒子模拟的最新进展，使各种生物和工程活性物质系统的动力学精确微观表征成为可能。与此同时，用于学习可解释连续介质模型的数据驱动算法，在连续介质模拟数据中恢复基础偏微分方程（PDE）方面显示出巨大潜力。相比之下，直接从实验或粒子模拟中学习活性物质的宏观流体动力学方程仍然是个挑战。

研究团队提出一个框架，利用谱基表示和稀疏回归算法，从微观模拟和实验数据中发现PDE模型，同时纳入相关的物理对称性。研究人员通过一系列应用说明了其实际潜力，并模仿不同细胞的手性活性粒子到最近的微滚轴实验。在这些情况下，他们的方案学习了再现模拟和实验中观察到的动力学流体动力学方程。这个推理框架使得从视频数据中并行和直接测量大量的水动力参数成为可能。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2206994120

《自然-物理学》

细胞凝聚物尺寸分布反映聚结和成核竞争

近日，美国普林斯顿大学Clifford P. Brangwynne和Ned S. Wingreen及其团队的研究发现，细胞内凝聚物的尺寸分布反映了聚结和成核之间的竞争。相关成果已发表于《自然-物理学》。

生物分子凝聚体分离已成为细胞内组织的一种机制，并影响许多细胞内过程，包括通过酶和路径中间体的聚集反应途径。精确和快速的时空控制需要调整凝聚体尺寸大小。然而，调控凝聚体尺寸分布的物理过程目前仍然不清楚。

研究人员发现天然和合成凝聚体都显示出指数大小分布，这是通过蒙特卡罗模拟快速成核后合并捕获的。相反，病态聚集物呈现幂律尺寸分布。这些不同的现象反映了成核和聚结动力学的相对重要性。课题组人员通过合成和天然凝聚体组合，探索了决定凝聚体大小的潜在物理机制。突然成核的指数分布和连续成核的幂律分布反映了决定凝聚体尺寸分布的一般原理。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01917-0

玻璃类材料存在液固交叉

德国奥格斯堡大学Peter Lunkenheimer课题组在最新论文中研究了热膨胀和玻璃转变。相关成果近日发表于《自然-物理学》。

该研究组发现，随着玻璃温度的升高，玻璃的热膨胀系数下降得更厉害，这标志着这类材料存在液固交叉。

然而，当热膨胀系数与脆性（颗粒协同性的量度）成比例时，这种关系又显现出来。因此，要使玻璃变成液体，仅仅克服粒子间的结合能是不够的。相反，需要投入更多的能量打破玻璃状材料中常见的典型协同粒子网络。液相的热膨胀系数也表现出类似的反常行为，并增加了约3倍的常数因子。

研究人员表示，根据林德曼判据，熔化可以描述为：当晶体材料的原子热振动变得强烈，以至于它们摆脱了结合力而自行熔化。这种情况不一定适用于玻璃杯，在玻璃杯中，固液交叉的性质存在着激烈的争论。林德曼判据表明，晶体的热膨胀系数与其熔化温度成反比。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41567-022-01920-5