活性胶体细胞的自组装与动力学

发布时间：2020-04-05 21:29

【摘要】：活性物质是一类可以将自身存储的能量或从环境中吸收的能量转化为自身机械运动的物质。近年来,各种各样人造活性物质在实验室中被设计制造出来,这极大的推动了对活性物质体系动力学行为的研究。受细胞结构和行为的启发,我们研究了一种简单的组合体,它由囊泡包裹活性胶体粒子而形成,被称为活性胶体细胞,它可以像细胞一样自主运动和发生形变。我们的研究主要关注于这种活性胶体细胞的群体自组装结构和动力学行为。我们对比了由刚性囊泡和柔性囊泡组成的两种活性胶体细胞。虽然它们单体的统计动力学行为基本一致,但它们在组装行为中表现出很大的差异。刚性活性胶体细胞的集体行为类似于普通的活性胶体粒子,在低密度下,它们就可以形成明显的集群;在中等密度下,体系会发生气固相分离。这种现象被称为运动诱导的相分离;而我们发现柔性活性胶体细胞的形变能力导致它们形成集群的能力明显减弱,并且集群的形貌也有区别。普通活性胶体粒子或刚性活性胶体细胞形成的集群是相互独立紧密堆积的团,结构上类似晶体;而柔性活性胶体细胞的集群呈网络状,由于个体的形变,其堆积很不规则,在大密度下柔性活性胶体细胞的运动诱导相分离现象也很不明显。动力学上刚性活性胶体细胞的集群比较稳定,内部基本没有个体的流动;而柔性活性胶体细胞由于可以形变,其集群内部个体流动很强烈,所以即使在形成大量集群的状态下,柔性活性胶体细胞的运动性仍很高。本文通过对比刚性和柔性活性胶体细胞的自组装相行为,揭示了可形变活性物质群体行为的独特性。为理解、设计和应用软活性物质的非平衡集体运动提供了参考。
【图文】：

定向运动,粒子,团簇,活性粒子

如图1.2a-d 描述胶体粒子形成集群的变化过程。由于粒子的持续运动，当粒子发生相互碰撞时，它们会相互阻碍形成两个粒子群，，这两个粒子可能滑动分开，也可能相互顶在一起，当其他粒子进入碰撞阻碍时就会形成三粒子群。同样，图 1.2e-h 是一个动态的集群运动，在这些实验中,不同颜色标记了不同的团簇，团簇在不断的运动重新排列形成新的团簇。图 1.3 中，是在粒子浴中放入一个不对称的锲形结构物体[25,26]，研究锲形物定向运动。图 1.3a 中,当锲型物在被动粒子浴中时，由于压力分布均匀，锲形物不做定向运动。但是，当锲形物处于活性粒子浴中时，我们发现活性粒子会在锲形物体尖端内侧聚集，并且会推动锲行物做定向运动,图 1.3b。实验中还发现，在一定密度下，锲形物做定向运动存在一个最大速度。我们再看图 1.4

粒子,旋转扩散,集群发展,定性解释

2 集群和活性晶体。（a-d）集群过程的定性解释：a)当两个活性粒子正面碰撞形成一个两粒子群，(c)集群旋转扩散，（d）取决于粒子的速度和密度，另一在两个粒子分裂前，集群发展成一个三粒子集群。（e-h）集群由均匀分布的同颜色表示由不同团簇的粒子随时间演化而来，集群不是静态的，而是不断合并。（i-k）灰色粒子和红色箭头，表示粒子方向和集群形成过程，粒子主粒子离开集群，（j）由另一个粒子代替。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O313

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