奥地利科学技术研究所（ISTA）Jérémie Palacci团队利用大肠杆菌（E. coli）构建“活性浴”，并在最新研究中揭示了细菌如何在微观尺度上驱动固体微结构旋转。相关成果由ISTA的Daniel Grober与Palacci，以及加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的Tanumoy Dhar和David Saintillan合作完成，并发表于《自然物理学》。实验在ISTA校园内的软物质实验室开展，并与UC San Diego物理系协作。

在水环境中，大肠杆菌依靠鞭毛游动，其集体运动可形成高度动态的“活性浴”。研究团队将这种环境类比为一种能够显著提升系统“有效温度”的机制，称其强度可相当于约2000°C的水平，并可对微小结构施加足以引发旋转的作用。

从“微型转子”现象到新问题

研究团队此前在2023年发表于《自然物理学》的工作中报告称，在大肠杆菌驱动的活性浴中，粘性胶体（接触时会相互粘连的圆形微粒）可形成凝胶状聚集体并呈顺时针旋转。研究人员当时将旋转与大肠杆菌鞭毛的顺时针旋转联系起来，但旋转产生的具体原因仍不明确。

为解释这一现象，团队参考了2010年的一项研究：当细菌与齿轮结构相互作用时，只有非对称齿轮会发生旋转。Palacci团队据此推测，聚集体中可能存在的非对称性或许是旋转来源。然而，由于聚集体的非对称性具有随机性，相关测量噪声较大，难以得到清晰结论。

“冰球”微盘在对称条件下仍会旋转

为降低结构不确定性，研究人员重新设计实验。Grober使用3D纳米打印技术制备了表面光滑、形状对称、外观类似冰球的微型圆盘，并将其置于充满大肠杆菌的活性浴中。实验结果显示，这些对称微盘同样会顺时针旋转，从而推翻了“对称结构不会旋转”的先前假设。

研究还发现，结构更复杂的微盘——例如带有四个向中心延伸隔间的设计——其旋转速度可高于更简单的圆盘。研究人员认为，这些受限空间可使细菌在其中产生类似“微型桨”的作用，从而增强旋转效应。

值得注意的是，实验还观察到：一种仅含单个隔间且末端不封闭的微盘，只要有一只大肠杆菌游过就会发生旋转。这一结果表明，微盘旋转并不依赖细菌与腔室壁面的机械接触。

机制指向流体动力学相互作用

Palacci表示，新研究显示驱动微盘旋转的关键并非直接接触，而是流体动力学相互作用。研究指出，大肠杆菌游动时，其身体与鞭毛分别向相反方向旋转，从而对周围流体施加扭转作用（力矩），在细菌前后形成旋涡，并对腔室顶部壁面产生牵引。

研究人员进一步解释称，尽管局部旋转在整体上可相互抵消、使微盘中心保持稳定，但由于旋转发生在腔室的不同位置，累积后的整体力矩仍会推动微盘持续旋转。团队建立的数学模型与实验观察一致，为大肠杆菌通过流体动力学作用驱动微结构运动提供了支持。

Grober补充称，在相关领域中，大肠杆菌因身体与鞭毛反向旋转而在固体表面附近呈顺时针游动已是已知现象。研究团队认为，通过将大肠杆菌限制在微盘下方的微观通道中，可以“反转”这种动力学表现，并利用相同的流体动力学效应，构建一种微观、无接触的驱动方式，使微盘持续旋转。

受限空间中的普遍性与潜在应用指向

研究团队指出，这一效应的重要特征在于：带鞭毛细菌驱动旋转的能力依赖受限空间，且具有累积性，并不偏好特定旋转物体形状。研究人员据此认为，只要细菌处于狭窄空间中——这在自然界中较为常见，例如生物膜或土壤环境——类似现象应可被观察到。

Palacci表示，尽管这一效应可能具有重要意义，但此前一直未受到充分关注。他称，希望这一认识未来能对医疗治疗或可持续发展相关工作带来有意义的影响。