發(fā)布時(shí)間：2020-07-17 05:02

【摘要】：活性系統(tǒng)是由不斷消耗外界的能量進(jìn)而產(chǎn)生自發(fā)運(yùn)動(dòng)的活性顆粒構(gòu)成的系統(tǒng)。活性系統(tǒng)是一類(lèi)非平衡系統(tǒng),并以其豐富的集群運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象吸引了廣泛的關(guān)注。活性系統(tǒng)的許多集群運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象可以用自推進(jìn)顆粒模型模擬表征。最近的研究中發(fā)現(xiàn),在足夠高的密度和低活性條件下,自推進(jìn)顆粒系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶的現(xiàn)象,而且通過(guò)調(diào)控自推進(jìn)顆粒的活性和密度范圍可以建立自推進(jìn)顆粒結(jié)晶過(guò)程的相圖。但是這些研究主要集中在平面上的活性系統(tǒng)的結(jié)晶過(guò)程,沒(méi)有考慮基底幾何約束的影響。當(dāng)無(wú)極性或者相列有序性的顆粒在球形基底上密堆積時(shí),由于球形基底的幾何約束,整個(gè)球面晶體的旋錯(cuò)的拓?fù)浜蔀?2。這些不可消除的拓?fù)淙毕菀矠檠芯壳蛎婢w的物理性質(zhì)提供了獨(dú)特的研究視角。最近的研究中發(fā)現(xiàn)了單獨(dú)一個(gè)活性顆粒與晶體缺陷的相互作用機(jī)理,但活性如何影響球形基底上自推進(jìn)顆粒的整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)還不清楚。本文首先通過(guò)數(shù)值模擬探究了約束在球形基底表面的自推進(jìn)顆粒的結(jié)晶過(guò)程。隨著系統(tǒng)顆粒密度的增加,自推進(jìn)顆粒會(huì)從液態(tài)凝固成固態(tài)。在這個(gè)凝固過(guò)程中,球面上的拓?fù)淙毕菝芏葴p少而自推進(jìn)顆粒排布的整體有序性增加。此外,這些拓?fù)淙毕莸姆植家搽S著自推進(jìn)速度的變化而改變。模擬中也觀察了由于球形基底的幾何約束導(dǎo)致的不可消除的缺陷的演變過(guò)程。在中等自推進(jìn)顆粒密度條件下,隨著自推進(jìn)速度的增加,球面上會(huì)從12條離散的晶界疤向均勻分布的旋錯(cuò)的拓?fù)淙毕萁Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。如果自推進(jìn)速度足夠大,這種轉(zhuǎn)變也會(huì)在高密度的自推進(jìn)顆粒系統(tǒng)中出現(xiàn)。然后通過(guò)計(jì)算自推進(jìn)顆粒與鄰近顆粒相關(guān)的均方位移(cage-relative MSD)曲線的斜率,找到了自推進(jìn)顆粒系統(tǒng)固液轉(zhuǎn)變的邊界并且繪制了相圖。隨著自推進(jìn)速度的增加,自推進(jìn)顆粒與其鄰近顆粒的運(yùn)動(dòng)相關(guān)性逐漸減弱,此時(shí)自推進(jìn)顆粒開(kāi)始從固態(tài)融化成液態(tài)。模擬中還探究了自推進(jìn)顆粒在球形基底上的集群運(yùn)動(dòng)行為特征。在高Pe數(shù)條件下,球面上的自推進(jìn)顆粒系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)相分離現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為固相和氣相共存的狀態(tài)。隨著顆粒密度的增加,自推進(jìn)顆粒整體取向相關(guān)性增加,自推進(jìn)顆粒越傾向于共同運(yùn)動(dòng)。本文的工作指出了基底幾何約束對(duì)自推進(jìn)顆粒集群運(yùn)動(dòng)行為的重要影響。通過(guò)調(diào)控自推進(jìn)顆粒的活性和密度,探究了約束在球形基底上的自推進(jìn)顆粒的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征。這些研究結(jié)果也加深了對(duì)自推進(jìn)顆粒在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動(dòng)行為的理解。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O347.7
【圖文】：

們的廣泛關(guān)注［５１。逡逑活性系統(tǒng)是多尺度的。除了宏觀可見(jiàn)的鳥(niǎo)群［６，７］，魚(yú)群外，還包括微觀逡逑層面的細(xì)胞骨架［１１，１２］，細(xì)菌群落［１＞｜５］以及單層細(xì)胞組織。圖１．１中列舉了不逡逑同尺度的活性系統(tǒng)以及系統(tǒng)中形成的豐富的圖案（ｐａｔｔｅｒｎ）：邋（ａ）表示塑性基底逡逑上培養(yǎng)的人類(lèi)黑色素細(xì)胞（ｈｕｍａｎｍｅｌａｎｏｃｙｔｅｓ）群落，群落中形成一個(gè)－１／２的逡逑旋錯(cuò)（ｄｉｓｃｌｉｎａｔｉｏｎ）缺陷［１９］；邋（ｂ）表示玻璃基底上的枯草桿菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ邋ｓｕｂｔｉｌｉｓ）逡逑懸浮液液滴，液滴邊界線處會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“湍流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）”形式的集群運(yùn)動(dòng)現(xiàn)逡逑象（ｃ）表示歐洲椋鳥(niǎo)群，在飛行過(guò)程中，鳥(niǎo)群不斷的改變?nèi)郝湫螤睿ǎ洌╁义媳硎竞铣晒怛?qū)動(dòng)膠體顆粒（右上角圖），在藍(lán)光照射下，膠體顆粒從均勻分布狀逡逑態(tài)（右下角圖）自組裝成活性晶體（ｅ）表示自推進(jìn)極性顆粒，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程逡逑中，顆粒向邊界移動(dòng)并形成渦旋［２１］；邋（ｆ）表示振動(dòng)基底上的高密度自推進(jìn)鏈桿逡逑（上圖），在振動(dòng)過(guò)程中，自推進(jìn)鏈桿出現(xiàn)類(lèi)似液晶的有序分布（下圖）［２２】。這些逡逑不同尺度和種類(lèi)的活性系統(tǒng)都有類(lèi)似的集群運(yùn)動(dòng)行為

邐（ｆ）逡逑■＃＿逡逑圖１．１不同尺度下的活性系統(tǒng)。生命系統(tǒng)：（ａ）人類(lèi)黑色素細(xì)胞群落（ｂ）枯草桿菌懸浮液逡逑液滴（ｃ）鳥(niǎo)群；非生命系統(tǒng)：（ｄ）光驅(qū)動(dòng)膠體顆粒（ｅ）自推進(jìn)極性顆粒（ｆ）自推逡逑進(jìn)鏈桿［７，１３，＾２２］。逡逑的集群運(yùn)動(dòng)特征。１１０１！0１（＾２５］在１９８７提出自推進(jìn)顆粒模型，模擬研宄宏觀尺度逡逑下動(dòng)物群落的蜂集（ｓｗａｒｍ）行為。在這個(gè)模型中，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ忽略隨機(jī)噪聲對(duì)自逡逑推進(jìn)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。這個(gè)假設(shè)對(duì)于動(dòng)物系統(tǒng)的研宄影響不大。但是對(duì)于微米逡逑尺寸的活性系統(tǒng)而言，噪聲的影響是不可忽略的，需要通過(guò)考慮布朗運(yùn)動(dòng)的自推逡逑進(jìn)顆粒模型來(lái)研究［５，２６１。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，自推進(jìn)布朗顆粒指的是具有自推進(jìn)能力的布逡逑朗顆粒。在被動(dòng)系統(tǒng)中，布朗顆粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)自于顆粒與周?chē)苜|(zhì)分子間的隨機(jī)碰逡逑撞［５Ｌ對(duì)于自推進(jìn)布朗顆粒而言，除了與溶質(zhì)中分子間的相互碰撞，顆粒還可以逡逑從環(huán)境中獲取能量進(jìn)而產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)［２７］。所以自推動(dòng)布朗顆粒的運(yùn)動(dòng)是由與溶逡逑質(zhì)分子間的隨機(jī)碰撞和自身的活性運(yùn)動(dòng)共同決定的１２８］

活性顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)。細(xì)菌通過(guò)鞭毛在流體中運(yùn)動(dòng)，鞭毛不同的運(yùn)動(dòng)模式會(huì)逡逑對(duì)周?chē)橘|(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)生影響。Ｕｎｄｅｒｈｉｌｌ等人［５１］模擬了細(xì)菌被鞭毛推動(dòng)和拖拽前逡逑進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)模式中，細(xì)菌運(yùn)動(dòng)對(duì)周?chē)黧w的影響。圖１．３中表示了鞭毛推動(dòng)細(xì)菌逡逑的模型示意圖和由細(xì)菌運(yùn)動(dòng)造成的流場(chǎng)變化。模擬中發(fā)現(xiàn)在鞭毛推動(dòng)的細(xì)菌周逡逑圍，流體中示蹤粒子的擴(kuò)散能力相較于鞭毛拖拽的細(xì)菌顯著增強(qiáng)。Ｓｈｏｒｔ等［５２］還逡逑發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌集群運(yùn)動(dòng)時(shí)，鞭毛的協(xié)同作用會(huì)提高周?chē)鸂I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換能力。事實(shí)逡逑上，如果一個(gè)模型能夠給出預(yù)測(cè)，即通過(guò)應(yīng)用該模型可以預(yù)測(cè)所觀察到的系統(tǒng)現(xiàn)逡逑象，那么就可以認(rèn)為這個(gè)模型準(zhǔn)確地描述了這個(gè)現(xiàn)象。由于第二類(lèi)建模策略能確逡逑保對(duì)觀察到的現(xiàn)象有深入的了解，許多學(xué)者傾向于根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提出模逡逑型，來(lái)解釋他們的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象［１６，５３，５４］。逡逑圖１．３細(xì)菌運(yùn)動(dòng)對(duì)周?chē)黧w的影響。左圖為被鞭毛推動(dòng)的細(xì)菌模型示意圖，雙箭頭表示鞭逡逑毛和周?chē)黧w的作用力

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