自推进颗粒在球形基底上的集群运动研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 活性系统的研究背景及意义
•   1.2 活性系统的研究现状
•     1.2.1 活性系统的主要建模方法
•     1.2.2 活性系统集群行为研究
•     1.2.3 复杂环境影响活性系统集群运动
•   1.3 本文主要研究工作
• 第二章 模型
•   2.1 基于LAMMPS的布朗动力学模拟方法
•   2.2 自推进颗粒在球面上的过阻尼布朗动力学模拟
•   2.3 初始模型建立
•   2.4 本章小结
• 第三章 自推进颗粒在球面上的运动过程研究
•   3.1 模型参数选择
•   3.2 自推进颗粒在结晶过程中的静态结构特征研究
•     3.2.1 自推进颗粒在球形基底结晶过程中的拓扑缺陷研究
•     3.2.2 球面晶体的有序性研究
•   3.3 自推进颗粒在结晶过程中的动态特征研究
•     3.3.1 自推进颗粒运动特征研究
•     3.3.2 自推进颗粒结晶过程的相图
•   3.4 自推进颗粒在球面上的相分离现象研究
•     3.4.1 自推进颗粒在球面上有序性运动研究
•     3.4.2 球形基底上自推进颗粒的相分离现象
•     3.4.3 自推进颗粒相分离过程中缺陷分布研究
•   3.5 本章小结
• 第四章 总结与展望
•   4.1 全文总结
•   4.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方妍

导师: 姜洪源

关键词: 自推进颗粒,结晶过程,相分离,几何约束,拓扑缺陷

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O347.7

总页数: 68

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