自驅動體系中,集體運動的形成是一種非平衡自組織現(xiàn)象。包括渦旋和群集在內的集體運動已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和量化,并有研究致力于探索集體運動的形成機制。然而,已有報道中的渦旋普遍需要圓形物理邊界的約束才能維持結構的穩(wěn)定。這與自然界中沒有物理邊界約束的魚群和鳥群的例子不同。本文研究了由Quincke粒子構成的二維膠體體系中的集體運動。在外電場的作用下,只有當場強大于臨界電場時,Quincke粒子才能被激活并運動。然而,我們的研究發(fā)現(xiàn),在臨界電場以下（即在亞臨界電場條件下）,雖然個體的運動被抑制,但體系中會出現(xiàn)兩種不同的集體運動,即自維持渦旋和動量波。自維持渦旋是一類自約束的高密區(qū)域,由于粒子速度和粒子數(shù)密度的顯著差異,在高密區(qū)和低密區(qū)的分界處呈現(xiàn)出鮮明的邊界。這種渦旋不需要依靠物理邊界來維持結構的穩(wěn)定。當系統(tǒng)中的高密區(qū)相互連通時,渦旋中的動量會以波的形式在平面內傳播。本文定量地研究了自維持渦旋和動量波的性質,探討了其內在機制。 

【文章來源】：蘇州大學江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１．２非平衡自組織現(xiàn)象

自驅動膠體體系中的亞臨界現(xiàn)象???第一章緒論??能對外界環(huán)境的變化和刺激做出響應和調整，有自修復功能，這是處于熱平衡態(tài)下??的有序結構不具備的。形成非平衡結構的自組織過程為非平衡自組織。??除了生物體系，在自然界也可以觀察到各種非平衡自組織現(xiàn)象，如（圖１．１．２??（ｄ）－（ｆ））：貝納德對流（Ｂｅｎａｒｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）花紋、大氣揣流、海洋環(huán)流。相比于平??衡自組織，非平衡自組織更為普遍，現(xiàn)象更為豐富。正是通過非平衡自組織，自然??展現(xiàn)出其復雜性的一面，演化出地球上豐富多彩的自然現(xiàn)象和生命形態(tài)。??１．２集體運動??１．２．１集體運動的定義及特點??Ｉ?ｍｍ??謹＇?藤ｄ??圖１．２．１自然界中常見的集體運動。（ａ）蟻群；（ｂ）細菌群落；（ｃ）魚群；（ｄ）?－?（ｅ）鳥群；??（ｆ）斑馬群；（ｇ）人群；（ｈ）羊群。Ｍ??生物體系不僅通過非平衡自組織形成分子功能結構，在宏觀尺度上也展現(xiàn)出各??種非平衡自組織行為。細菌群落、鳥群和魚群（圖１．２．１）?通過個體間的相互作??用和協(xié)同運動［１３＿２Ｇ］能夠形成各種集體運動［５］，如群擁（ｆｌｏｃｋｉｎｇ）和渦旋（ｖｏｒｔｅｘ）??３??

第一章緒論?自驅動膠體體系中的亞臨界現(xiàn)象??等。在集體運動中，所有個體具有相同的速度、一致的運動方向或轉動方向。集體??運動的形成具有非平衡自組織的特點。分子體系的非平衡自組織依賴于外界能量的??輸入。而形成集體運動的細菌、魚、鳥等個體則通過消耗自身能量來維持運動，所??以被稱作自驅動體系或活力體系。自驅動體系中個體間的相互作用不遵循動量守恒。??自驅動體系集體運動的涌現(xiàn)為研宄非平衡自組織過程提供了一個很好的理論和實驗??模型。??＿棚??⑷—｜．（山：：淨獨??ｍ￥Ｂ０￥??圖１．２．２自驅動體系的集體運動。（ａ）枯草芽孢桿菌菌落中的集體運動，相同顏色標識的細菌在??同一群體中作集體運動；？（ｂ）?３Ｄ打印的機器人（黑色一順時針旋轉和白色一逆時針旋轉兩??種）在振動臺上產(chǎn)生相分離，實現(xiàn)局部有序運動；［２２］?（ｃ）?－?（ｄ）不同密度下，組織細胞的集??體運動模式（實驗和模擬）；［２３］?（ｅ）?－?（ｆ）膠體粒子群在無序幾何環(huán)境中的集體行為，藍色箭??頭表示粒子的速度方向。比例尺分別為ｌｍｍ和１００?ｐｍ。［２４］??在自驅動體系集體運動研究工作的推動下，研宄人員目前發(fā)展出了多種自驅動??實驗體系，細菌菌落（圖１．２．２（ａ））和細脃群落（圖１．２．２（ｃ）－（ｄ））等。除生物自驅動??體系外，還有各種人工自驅動體系，如微型智能機器群（圖１．２．２（ｂ））、自驅動膠體??４??


本文編號：3519968