对称结构在活性粒子浴中的行为研究

论文摘要

活性物质是当前备受关注的非平衡态系统之一,丰富又独特的性质使活性物质体系极具研究价值和应用前景,比如在微纳米功能器件的设计与制造方面的应用。认识和理解活性物质与微纳米物体之间的相互作用和影响是目前热门的前沿科学课题之。在第一章中,我们从非平衡态现象出发,总结了活性粒子在遇到障碍物或边界以及微纳米物体在活性粒子浴中运动的奇异行为,并从体系的对称性破缺角度出发总结了棘轮等结构自发旋转的原因。第二章介绍了分子动力学模拟方法以及模型。第三章介绍了我们关于结构对称的齿轮在活性粒子浴中运动的研究。我们发现对称的齿轮也可以自发旋转,这一现象和细菌与棘轮的实验相悖。我们探讨了这种不一致结论产生的原因。对称齿轮不会产生空间的不对称性,齿轮长时间自发转动源于活性粒子运动的时间反演对称性破缺和动态空间对称性破缺。我们从活性粒子的旋转扩散系数Dr以及粒子数密度φ两个参数入手,控制活性粒子浴的强弱及偏离平衡态的程度。我们发现对称齿轮在活性粒子浴中会表现出三种转动状态:自发转动态、转向翻转态以及随机摆动态,并在Dr-φ目空间中绘制相图,通过齿轮转速的概率分布进一步对三种转动状态的细节进行分析。我们根据齿轮对活性粒子的整流作用以及活性粒子对齿轮的不对称作用力,总结出活性粒子浴中齿轮能够维持转动方向不变的反馈调节机制。第四章中,我们将对称齿轮固定在活性粒子浴中,发现即便是无法运动的对称结构,也会引导活性粒子产生不对称的密度分布、方向选择性的流分布等非平衡态的行为,最典型的表现为旋转扩散系数足够小且粒子浴密度足够大时齿轮外层形成的活性粒子环流。环流的本质原因在于活性粒子的非平衡性质,会对结构对称的齿轮产生不对称的作用,这可能会引发齿轮由静止到转动的状态变化。此外,我们根据初步的模拟结果简单分析了环流的形成过程,进一步研究将会在今后的工作中展开。在第三、四两章中,我们逐步阐明了活性粒子浴中对称齿轮自发转动的机制,包括自发转动态所需要的活性粒子浴条件、齿轮维持转动方向不变的机制、以及齿轮外层活性粒子团簇自转可能对齿轮产生的影响等等,也找出了齿轮能够自发旋转的原因,即活性粒子在转动齿轮引导下的不对称行为反过来作用于齿轮。在第五章中,我们将齿轮对活性粒子的影响以及活性粒子对齿轮的作用拆成两个问题,通过为齿轮设定不同的旋转速度,讨论不同转速的齿轮如何影响活性粒子的密度分布、流分布,进而分析活性粒子怎样反作用于转动的齿轮。最终,我们得出结论,齿轮在活性粒子浴中的转动存在一个稳定的转速。在此转速之下,活性粒子会起推动作用加速齿轮的旋转。相反,在此速度之上,活性粒子对齿轮转动起阻碍作用,是齿轮转速下降。至此,我们基本上从动力学角度较为全面的明确了齿轮在活性粒子浴中自发稳定旋转的机制。第六章中,我们通过活性粒子浴中的十字结构模型讨论了尺寸对转动状态、转动速度的影响,得到了活性粒子的旋转扩散系数和十字结构尺寸的Dr-R相图,并且发现尺寸R与十字结构转动速度ω之间存在非单调关系。第七章中我们研究了内外都有活性粒子的二维囊泡在活性粒子浴中的形变,发现囊泡会随着活性力增大逐渐从圆形转变为胶囊形,最后形成哑铃形。这部分工作为囊泡的形态控制以及动力学行为研究提供了新的思路。第八章,在总结全文的基础上,对未来的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 活性物质
•   1.2 活性粒子与障碍物
•     1.2.1 活性粒子与非活性粒子
•     1.2.2 活性粒子与边界
•     1.2.3 活性粒子与棘轮
•   1.3 本文的工作
• 第二章 分子动力学模拟
•   2.1 分子动力学模拟的运动方程
•   2.2 Lennard-Jones势
•   2.3 时间积分
•   2.4 时间步长以及周期性边界条件
•   2.5 活性布朗粒子模型
•   2.6 齿轮模型
• 第三章 对称齿轮在活性粒子浴中的转动行为
•   3.1 研究背景
•   3.2 模型及模拟方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 结构的对称性对转动行为的影响
•     3.3.2 相图
•     3.3.3 齿轮的转速分布
•     3.3.4 活性粒子与齿轮的相互作用
•     3.3.5 齿轮转动机制
•     3.3.6 棒状活性粒子
•   3.4 本章小结
• 第四章 固定在活性粒子浴中的对称齿轮
•   4.1 研究背景
•   4.2 模型及模拟方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 固定对称齿轮对活性粒子密度分布的影响
•     4.3.2 固定对称齿轮对活性粒子流分布的影响
•     4.3.3 固定对称齿轮在活性粒子浴中的受力分析
•     4.3.4 固定对称齿轮在活性粒子浴中的受力矩分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 自转对称齿轮在活性粒子浴中的行为
•   5.1 研究背景
•   5.2 模型及模拟方法
•   5.3 不同旋转扩散系数以及密度的活性粒子浴与自转齿轮
•     5.3.1 旋转扩散系数以及密度对活性粒子密度分布的影响
•     5.3.2 旋转扩散系数以及密度对活性粒子流分布的影响
•     5.3.3 旋转扩散系数以及密度对齿轮受力的影响
•   5.4 定速自转的对称齿轮与活性粒子浴
•     5.4.1 自转齿轮的转速对活性粒子密度分布的影响
•     5.4.2 自转齿轮的转速对活性粒子流分布的影响
•     5.4.3 自转对称齿轮在活性粒子浴中的受力分析
•     5.4.4 自转对称齿轮在活性粒子浴中的受力矩分析
•     5.4.5 自由齿轮在活性粒子浴中转速的稳定性
•   5.5 本章小结
• 第六章 十字结构在活性流体浴中的行为
•   6.1 研究背景
•   6.2 模型及模拟方法
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 十字结构在活性粒子浴中的转动状态
•     6.3.2 十字结构在活性粒子浴中的转动机制
•     6.3.3 十字结构尺寸对转动速度的影响
•   6.4 本章小结
• 第七章 囊泡在活性粒子浴中的形变
•   7.1 研究背景
•   7.2 模型及模拟方法
•   7.3 结果与讨论
•     7.3.1 囊泡形态
•     7.3.2 囊泡形变
•     7.3.3 囊泡的动态形变
•   7.4 本章小结
• 第八章 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王超

导师: 陈康,马余强

关键词: 活性粒子,对称结构,自发旋转,分子动力学模拟

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 苏州大学

分类号: O469

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.000572

总页数: 145

文件大小: 13127K

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