北航新闻网2月27日电（通讯员 王琳）近日，《Physical Review Letters》刊发了北京航空航天大学物理学院题为“Anomalous Transport of Elongated Particles in Oscillatory Vortical Flows”的论文，并被选为期刊封面。该工作由胡世渊副教授牵头，联合来自纽约大学柯朗数学科学研究所与中国科学院物理研究所的合作者，系统研究了细长粒子在振荡涡旋流场中输运行为，揭示了粒子长度与流场动力学结构之间存在匹配效应，并对粒子扩散起决定性作用。

在微尺度流体环境中，悬浮粒子的随机运动广泛存在于生物传输、微流控分选、化学反应与污染物扩散等过程。长期以来，人们普遍认为在涡旋流场中较长的粒子更容易跨越流线，从而在空间中更快扩散。然而，本研究发现粒子的输运速率并不随长度单调增加。在特定振荡频率下，中等长度的粒子反而扩散最慢，表现出明显的亚扩散行为(subdiffusion)。这一结果打破了传统认知，揭示了非稳态流场与粒子几何尺度之间复杂而精细的耦合机制。

研究团队通过电磁驱动，在浅层电解质溶液中构建了准二维周期性涡旋阵列，并通过周期性移动磁铁阵列，使涡旋流场整体发生振荡。流场雷诺数在1–10之间，属于低雷诺数动力学范畴。流场振荡后，原本规则的流线结构被打破，形成混合相空间结构：混沌区域(chaotic regions)与规则的椭圆区域(elliptic regions)共存。这些椭圆区域构成了流体粒子的运输屏障(transport barriers)。研究团队进一步结合实验和数值模拟，发现当粒子长度与椭圆区域的空间尺度匹配时，会被长时间困于椭圆区域内部，表现出稳健的亚扩散行为。更为有趣的是，即使存在随机噪音，这种亚扩散行为仍然稳定存在。

该研究不仅加深了对非稳态流场中输运现象的理解，揭示了低雷诺数流场中悬浮粒子随机运动产生的新物理机制，也为工程应用提供了新的调控思路。通过调节流场的动力学结构尺度，有望实现对不同长度粒子的选择性困陷或定向输运，为微流控芯片中的颗粒分选，以及聚合物或生物大分子在复杂流场中的迁移控制等实际应用提供了新思路。

北航物理学院胡世渊副教授、满兴坤教授和纽约大学张骏教授为论文共同通讯作者，胡世渊副教授与博士生杨修远为论文共同第一作者，北航物理学院为第一完成单位和通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金和北航基本科研业务费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/cj7w-f9vx

（审核：王菲）

编辑：贾爱平