Rod-coil型活性Swimmer的动力学行为研究

发布时间：2020-09-29 22:37

　　近年来,活性物质逐渐成为软物质研究的一个热点和重要领域。得益于实验技术的进步,各种各样的人工活性物质在实验室被制备出来。这也为系统的研究活性物质的动力学行为提供了平台。本文采用耗散粒子动力学模拟的方法,设计并研究了在二维几何约束下rod-coil型活性swimmer的动力学行为。活性力的大小及方向,chain和rod的长度比例,以及溶剂对活性swimmer的阻尼强度都是影响其动力学行为的重要参数。本文的研究内容主要包括以下两个部分:(1)rod-coil型的puller类active swimmer。Rod是swimmer的活性单元。它的驱动方向是沿着棒子指向非嫁接端。我们系统研究了rod长度、chain长度、活性力大小和阻尼摩擦系数对swimmer动力学行为的影响。结果表明,随着活性力的增加,swimmer在体系中的扩散速度也在增加,swimmer中rod端的取向关联函数的关联时间也在增加。rod长度的增加,也会使swimmer的扩散加速,并增加rod取向关联时间。若从小到大逐渐增加chain的长度,我们发现swimmer的扩散系数只有微小的改变,但是其保持运动方向的持久性在增加。(2)rod-coil的pusher类active swimmer。这种情况下rod的驱动方向是沿着rod指向嫁接端的。我们发现,随着活性力的增加,swimmer从随机运动逐渐变成周期性运动,且周期由大变小。此外rod的长度对swimmer是否形成周期性运动有很大的影响。随着rod长度增加,swimmer从随机旋转变为定向旋转,逐渐具有了周期性。chain长度也对swimmer是否形成周期性运动有一定的影响。当chain比较短时,swimmer不能定向旋转,而随着长度的增加,swimmer逐渐变成定向旋转。但当chain达到一定长度后再增加,由于chain过长也会影响到swimmer的定向旋转。阻尼的大小对swimmer的定向旋转也有影响。阻尼较小时,swimmer做定向旋转,且具有周期性。当阻尼强度增大到一定程度后会破坏swimmer的定向旋转。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB30
【部分图文】：

布朗粒子,活性粒子,远离平衡态,热涨落

一章绪论 Rod-coil 型活性swimmer 的动力学行为研1.3 活性粒子1.3.1 活性粒子的定义活性布朗粒子是活性物质研究的重点。这些粒子是生物上的或者人造的微观的者纳米级的物体。它们能够从周围环境中吸收能量并把能量转化为定向运动。一方面在微生物中自推进是一个普遍的特点，它帮助微生物有效的在周围的环境中寻找营远离有毒的物质。一个典型的例子就是像大肠杆菌这样的细菌的游动。另一方面，造的微观级活性粒子和纳米级的活性粒子已经取得了巨大的发展。典型的活性布朗子总结如图 1 所示:

活性粒子,非对称

活性布朗粒子会显示出集群性质。然后，我们还需理解在现实环境中活性布朗粒运动。最后，当规模降到纳米级别时，我们需要探索当前对于活性系统的理解是确。.3.2 非对称活性布朗运动直到现在，我们认为直线型的布朗运动[28]只是偶然而不是规律。事实上，理直线型游动只会在内部推动方向左右对称的情况下出现，只要这种对称性有一点偏离就会打破它的直线型运动，导致运动轨迹的不对称。可以设计制造具有不对动的活性布朗粒子，它的轨迹不对称，比如呈螺旋路径，并且可以控制它是左旋右旋。二维时的游动一般是沿着圆形轨迹，三维时游动的轨迹一般是螺旋形ennings[29]在一个世纪前就指出了微生物是以圆形游动的。从那以后，许多不同的下我们都能观察到这种现象，尤其是细菌或者精子在基质上游动。同时，在三维们也能观察到许多不同的细菌或者细胞呈螺旋形游动。

活性粒子,运动轨迹,不对称,二维

5图 1.3 在二维中不对称活性粒子在不同半径大小时的运动轨迹1.3.3 几种人造的 microswimmers人造的 microswimmer[32-34]在加不同的几种推进机制时也能够产生细胞运动的行为。这些人造的自推进粒子为我们很多研究带来了巨大的希望，例如医疗保健，环境的可持续发展。自推进微米及纳米粒子背后的基本思想就是打破它们的对称性让它们在不同的体系中产生推动作用，推动的机制可以多种多样。事实上，我们发现在生物系统中鞭毛的运动是单向的周期性的方式。因此，在设计人造 microswimmers 时需要把这个基本思想考虑进去。由不对称化学反应提供驱动‘swimmming’的能量这个概念的首次证明可以追溯

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