自驱动胶体体系中的亚临界现象

发布时间：2021-11-26 10:34

　　自驱动体系中,集体运动的形成是一种非平衡自组织现象。包括涡旋和群集在内的集体运动已经被发现和量化,并有研究致力于探索集体运动的形成机制。然而,已有报道中的涡旋普遍需要圆形物理边界的约束才能维持结构的稳定。这与自然界中没有物理边界约束的鱼群和鸟群的例子不同。本文研究了由Quincke粒子构成的二维胶体体系中的集体运动。在外电场的作用下,只有当场强大于临界电场时,Quincke粒子才能被激活并运动。然而,我们的研究发现,在临界电场以下（即在亚临界电场条件下）,虽然个体的运动被抑制,但体系中会出现两种不同的集体运动,即自维持涡旋和动量波。自维持涡旋是一类自约束的高密区域,由于粒子速度和粒子数密度的显著差异,在高密区和低密区的分界处呈现出鲜明的边界。这种涡旋不需要依靠物理边界来维持结构的稳定。当系统中的高密区相互连通时,涡旋中的动量会以波的形式在平面内传播。本文定量地研究了自维持涡旋和动量波的性质,探讨了其内在机制。 

【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：62 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１．２非平衡自组织现象

自驱动胶体体系中的亚临界现象???第一章绪论??能对外界环境的变化和刺激做出响应和调整，有自修复功能，这是处于热平衡态下??的有序结构不具备的。形成非平衡结构的自组织过程为非平衡自组织。??除了生物体系，在自然界也可以观察到各种非平衡自组织现象，如（图１．１．２??（ｄ）－（ｆ））：贝纳德对流（Ｂｅｎａｒｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）花纹、大气揣流、海洋环流。相比于平??衡自组织，非平衡自组织更为普遍，现象更为丰富。正是通过非平衡自组织，自然??展现出其复杂性的一面，演化出地球上丰富多彩的自然现象和生命形态。??１．２集体运动??１．２．１集体运动的定义及特点??Ｉ?ｍｍ??謹＇?藤ｄ??图１．２．１自然界中常见的集体运动。（ａ）蚁群；（ｂ）细菌群落；（ｃ）鱼群；（ｄ）?－?（ｅ）鸟群；??（ｆ）斑马群；（ｇ）人群；（ｈ）羊群。Ｍ??生物体系不仅通过非平衡自组织形成分子功能结构，在宏观尺度上也展现出各??种非平衡自组织行为。细菌群落、鸟群和鱼群（图１．２．１）?通过个体间的相互作??用和协同运动［１３＿２Ｇ］能够形成各种集体运动［５］，如群拥（ｆｌｏｃｋｉｎｇ）和涡旋（ｖｏｒｔｅｘ）??３??

第一章绪论?自驱动胶体体系中的亚临界现象??等。在集体运动中，所有个体具有相同的速度、一致的运动方向或转动方向。集体??运动的形成具有非平衡自组织的特点。分子体系的非平衡自组织依赖于外界能量的??输入。而形成集体运动的细菌、鱼、鸟等个体则通过消耗自身能量来维持运动，所??以被称作自驱动体系或活力体系。自驱动体系中个体间的相互作用不遵循动量守恒。??自驱动体系集体运动的涌现为研宄非平衡自组织过程提供了一个很好的理论和实验??模型。??＿棚??⑷—｜．（山：：淨獨??ｍ￥Ｂ０￥??图１．２．２自驱动体系的集体运动。（ａ）枯草芽孢杆菌菌落中的集体运动，相同颜色标识的细菌在??同一群体中作集体运动；？（ｂ）?３Ｄ打印的机器人（黑色一顺时针旋转和白色一逆时针旋转两??种）在振动台上产生相分离，实现局部有序运动；［２２］?（ｃ）?－?（ｄ）不同密度下，组织细胞的集??体运动模式（实验和模拟）；［２３］?（ｅ）?－?（ｆ）胶体粒子群在无序几何环境中的集体行为，蓝色箭??头表示粒子的速度方向。比例尺分别为ｌｍｍ和１００?ｐｍ。［２４］??在自驱动体系集体运动研究工作的推动下，研宄人员目前发展出了多种自驱动??实验体系，细菌菌落（图１．２．２（ａ））和细脃群落（图１．２．２（ｃ）－（ｄ））等。除生物自驱动??体系外，还有各种人工自驱动体系，如微型智能机器群（图１．２．２（ｂ））、自驱动胶体??４??


本文编号：3519968