自推进颗粒在球形基底上的集群运动研究

发布时间：2020-07-17 05:02

【摘要】：活性系统是由不断消耗外界的能量进而产生自发运动的活性颗粒构成的系统。活性系统是一类非平衡系统,并以其丰富的集群运动现象吸引了广泛的关注。活性系统的许多集群运动现象可以用自推进颗粒模型模拟表征。最近的研究中发现,在足够高的密度和低活性条件下,自推进颗粒系统会出现结晶的现象,而且通过调控自推进颗粒的活性和密度范围可以建立自推进颗粒结晶过程的相图。但是这些研究主要集中在平面上的活性系统的结晶过程,没有考虑基底几何约束的影响。当无极性或者相列有序性的颗粒在球形基底上密堆积时,由于球形基底的几何约束,整个球面晶体的旋错的拓扑荷为12。这些不可消除的拓扑缺陷也为研究球面晶体的物理性质提供了独特的研究视角。最近的研究中发现了单独一个活性颗粒与晶体缺陷的相互作用机理,但活性如何影响球形基底上自推进颗粒的整体结构与运动还不清楚。本文首先通过数值模拟探究了约束在球形基底表面的自推进颗粒的结晶过程。随着系统颗粒密度的增加,自推进颗粒会从液态凝固成固态。在这个凝固过程中,球面上的拓扑缺陷密度减少而自推进颗粒排布的整体有序性增加。此外,这些拓扑缺陷的分布也随着自推进速度的变化而改变。模拟中也观察了由于球形基底的几何约束导致的不可消除的缺陷的演变过程。在中等自推进颗粒密度条件下,随着自推进速度的增加,球面上会从12条离散的晶界疤向均匀分布的旋错的拓扑缺陷结构转变。如果自推进速度足够大,这种转变也会在高密度的自推进颗粒系统中出现。然后通过计算自推进颗粒与邻近颗粒相关的均方位移(cage-relative MSD)曲线的斜率,找到了自推进颗粒系统固液转变的边界并且绘制了相图。随着自推进速度的增加,自推进颗粒与其邻近颗粒的运动相关性逐渐减弱,此时自推进颗粒开始从固态融化成液态。模拟中还探究了自推进颗粒在球形基底上的集群运动行为特征。在高Pe数条件下,球面上的自推进颗粒系统会出现相分离现象,具体表现为固相和气相共存的状态。随着颗粒密度的增加,自推进颗粒整体取向相关性增加,自推进颗粒越倾向于共同运动。本文的工作指出了基底几何约束对自推进颗粒集群运动行为的重要影响。通过调控自推进颗粒的活性和密度,探究了约束在球形基底上的自推进颗粒的结构和运动特征。这些研究结果也加深了对自推进颗粒在复杂环境下运动行为的理解。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O347.7
【图文】：

均匀分布,自推进,群落,链杆

们的广泛关注［５１。逡逑活性系统是多尺度的。除了宏观可见的鸟群［６，７］，鱼群外，还包括微观逡逑层面的细胞骨架［１１，１２］，细菌群落［１＞｜５］以及单层细胞组织。图１．１中列举了不逡逑同尺度的活性系统以及系统中形成的丰富的图案（ｐａｔｔｅｒｎ）：邋（ａ）表示塑性基底逡逑上培养的人类黑色素细胞（ｈｕｍａｎｍｅｌａｎｏｃｙｔｅｓ）群落，群落中形成一个－１／２的逡逑旋错（ｄｉｓｃｌｉｎａｔｉｏｎ）缺陷［１９］；邋（ｂ）表示玻璃基底上的枯草杆菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ邋ｓｕｂｔｉｌｉｓ）逡逑悬浮液液滴，液滴边界线处会出现类似“湍流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）”形式的集群运动现逡逑象（ｃ）表示欧洲椋鸟群，在飞行过程中，鸟群不断的改变群落形状（ｄ）逡逑表示合成光驱动胶体颗粒（右上角图），在蓝光照射下，胶体颗粒从均匀分布状逡逑态（右下角图）自组装成活性晶体（ｅ）表示自推进极性颗粒，在运动过程逡逑中，颗粒向边界移动并形成涡旋［２１］；邋（ｆ）表示振动基底上的高密度自推进链杆逡逑（上图），在振动过程中，自推进链杆出现类似液晶的有序分布（下图）［２２】。这些逡逑不同尺度和种类的活性系统都有类似的集群运动行为

示意图,运动模拟,示意图,自推进

逦（ｆ）逡逑■＃＿逡逑图１．１不同尺度下的活性系统。生命系统：（ａ）人类黑色素细胞群落（ｂ）枯草杆菌悬浮液逡逑液滴（ｃ）鸟群；非生命系统：（ｄ）光驱动胶体颗粒（ｅ）自推进极性颗粒（ｆ）自推逡逑进链杆［７，１３，＾２２］。逡逑的集群运动特征。１１０１！0１（＾２５］在１９８７提出自推进颗粒模型，模拟研宄宏观尺度逡逑下动物群落的蜂集（ｓｗａｒｍ）行为。在这个模型中，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ忽略随机噪声对自逡逑推进颗粒运动的影响。这个假设对于动物系统的研宄影响不大。但是对于微米逡逑尺寸的活性系统而言，噪声的影响是不可忽略的，需要通过考虑布朗运动的自推逡逑进颗粒模型来研究［５，２６１。简单来说，自推进布朗颗粒指的是具有自推进能力的布逡逑朗颗粒。在被动系统中，布朗颗粒的运动来自于颗粒与周围溶质分子间的随机碰逡逑撞［５Ｌ对于自推进布朗颗粒而言，除了与溶质中分子间的相互碰撞，颗粒还可以逡逑从环境中获取能量进而产生定向运动［２７］。所以自推动布朗颗粒的运动是由与溶逡逑质分子间的随机碰撞和自身的活性运动共同决定的１２８］

示意图,细菌,鞭毛

活性颗粒在流体中的运动。细菌通过鞭毛在流体中运动，鞭毛不同的运动模式会逡逑对周围介质的流动产生影响。Ｕｎｄｅｒｈｉｌｌ等人［５１］模拟了细菌被鞭毛推动和拖拽前逡逑进两种运动模式中，细菌运动对周围流体的影响。图１．３中表示了鞭毛推动细菌逡逑的模型示意图和由细菌运动造成的流场变化。模拟中发现在鞭毛推动的细菌周逡逑围，流体中示踪粒子的扩散能力相较于鞭毛拖拽的细菌显著增强。Ｓｈｏｒｔ等［５２］还逡逑发现在细菌集群运动时，鞭毛的协同作用会提高周围营养物质的交换能力。事实逡逑上，如果一个模型能够给出预测，即通过应用该模型可以预测所观察到的系统现逡逑象，那么就可以认为这个模型准确地描述了这个现象。由于第二类建模策略能确逡逑保对观察到的现象有深入的了解，许多学者倾向于根据具体的实验系统提出模逡逑型，来解释他们的实验现象［１６，５３，５４］。逡逑图１．３细菌运动对周围流体的影响。左图为被鞭毛推动的细菌模型示意图，双箭头表示鞭逡逑毛和周围流体的作用力

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