發(fā)布時間：2018-01-03 18:07

  本文關(guān)鍵詞：活性體系非平衡動力學若干問題的理論研究　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關(guān)文章： 活性體系 活性粒子 重入 相分離 Janus相互作用 高分子鏈 穿孔 非單調(diào)變化 標度關(guān)系

【摘要】：近些年來,活性粒子體系統(tǒng)計動力學行為的研究已經(jīng)引起了人們廣泛的關(guān)注,己經(jīng)成為化學、物理以及生物等多學科交叉領(lǐng)域的前沿問題�；钚允且环N能將從周圍環(huán)境獲取的能量轉(zhuǎn)化成功并產(chǎn)生定向運動的性質(zhì),由于這種獨特的特性,活性粒子體系具有一系列熱力學平衡體系不具備的動力學性質(zhì)。所以活性體系的研究有助于幫助我們揭示一些非平衡體系的物理本質(zhì)以及設(shè)計制造生物智能裝置和材料。在對活性粒子研究和探索過程中,科研人員花費了大量的時間在解決以下的兩個難點:第一個難點在于如何去理解活性體系的復雜群體運動行為產(chǎn)生機理;第二難點在于如何理解活性粒子所組成的活性環(huán)境對非活性粒子的動力學行為的影響。本文以活性體系為研究對象,研究了粒子間的相互作用對活性體系相分離的影響以及活性浴對高分子鏈穿孔動力學的影響。具有各向異性相互作用的活性粒子的"重入"相分離近些年,很多實驗和理論工作圍繞著活性粒子的相分離行為,而我們主要考慮各向異性相互作用(Janus相互作用)對活性粒子相分離行為的影響。模擬結(jié)果表明,由于粒子在janus相互作用下傾向于吸引面互相靠近而排斥面互相遠離,所以非活性Janus體系會形成由小團簇(體積分數(shù)比較小)或者條帶(體積分數(shù)比較大)構(gòu)成的長程有序態(tài)。對于活性體系而言,體積分數(shù)比較小的時候,單純的活性作用不能使體系發(fā)生相分離,但隨著janus相互作用的加入,體系出現(xiàn)了很明顯的"重入"行為:過弱和過強的janus相互作用都會破壞體系的相分離,只有強度適中的janus相互作用可以使得體系發(fā)生明顯的相分離�；钚泽w積分數(shù)比較大的時候,活性己經(jīng)導致體系出現(xiàn)相分離,此時加入janus相互作用可以使得體系的相分離效果更加明顯,但過強的janus相互作用還是會破壞相分離使得體系進入無序狀態(tài)。同時我們通過對局域結(jié)構(gòu)的詳細分析嘗試給出了定性的解釋:活性驅(qū)動力會傾向于使體系出現(xiàn)團簇狀態(tài),janus相互作用傾向于使得體系出現(xiàn)長程有序狀態(tài),兩者的相互競爭使得整個活性janus體系隨著janus強度的變化而出現(xiàn)"重入"行為�；钚栽≈械母叻肿渔湸┛讍栴}。高分子鏈在納米孔徑和生物管道中的穿孔行為引起了人們廣泛的關(guān)注和深入的研究。一方面,研究高分子鏈穿孔過程有助于幫助我們理解一些實際生物體系中重要的過程如轉(zhuǎn)錄過程,另一方面通過理解實際生物體系中高分子鏈穿孔的物理本質(zhì)進而實現(xiàn)一些人為調(diào)控是有其長遠的技術(shù)應(yīng)用價值。但目前考慮的穿孔環(huán)境都是非活性的,所以在本文中我們著重要考慮了活性浴對高分子鏈穿孔的影響。研究表明,當活性浴中體積分數(shù)固定時,高分子鏈的平均穿孔時間隨活性驅(qū)動力的增加而出現(xiàn)一個非單調(diào)行為:適中的活性驅(qū)動力可以使得整個穿孔過程最慢。進一步當活性浴的活性驅(qū)動力固定比較大且固定時,高分子鏈的平均穿孔時間隨著活性浴的體積分數(shù)增加也會出現(xiàn)一個非單調(diào)行為:適中的活性浴體積分數(shù)會使得整個穿孔過程最快。通過對等待時間和累計等待時間的分析,我們發(fā)現(xiàn)活性浴對高分子鏈穿孔有兩個作用:活性粒子傾向于聚集在孔徑附近進而阻礙高分子鏈穿孔;活性粒子同時也會傾向于聚集在高分子鏈附近并拉扯高分子鏈從而促進高分子鏈穿孔,正是這兩種相互作用力的競爭導致了體系出現(xiàn)了非單調(diào)行為。最后我們通過進一步的模擬發(fā)現(xiàn)穿孔時間與高分子鏈長之間存在著很好地標度關(guān)系,且標度指數(shù)依賴于活性浴的活性和體積分數(shù)。
[Abstract]:In recent years, research on dynamic behavior of statistical activity of particle system has attracted extensive attention, has become a frontier problem of chemical, physical and biological and other interdisciplinary fields. The activity is a kind of energy conversion can be obtained from the surrounding environment and produce successful directional movement of the nature, because of the unique characteristics, activity particle system has dynamic properties of a series of thermodynamic equilibrium. So the system does not have the activity of the system can help us reveal the physical essence of non equilibrium system as well as the design and manufacture of biological intelligent devices and materials. In the activity of particle research and exploration, researchers spent a lot of time on the two difficult to solve the following: the first problem is how to understand complex behavior activity system mechanism; second is difficult to understand the activity Effect of dynamic behavior of active particles composed of environmental non active particles. In this paper, the activity system as the research object, studied the effects of interactions between particles on the phase separation of active system and activity dynamics of polymer chain bath perforation. In recent years with active particles of the anisotropic interaction "into" the separation, separation of many experimental and theoretical work on active particle behavior, and we mainly consider the anisotropic interaction (Janus interaction) effect on the activity of particle phase separation behavior. The simulation results show that the tendency of particles in the Janus interaction on the suction surface close to each other and reject the face away from each other, so the activity of Janus system will be formed by small clusters (the volume fraction is relatively small) or strip (volume fraction larger) long-range ordered states. For active system, body The integral number is relatively small, the activity of the system can not be the occurrence of phase separation, but with the addition of Janus interaction, the system appears very obvious "into" behavior: phase separation is too weak and too strong Janus interaction will destroy the system, only the strength in Janus interactions the system of obvious phase separation. When the volume fraction of the activity is relatively large, the activity has led to system phase separation, but the addition of Janus interaction can make the system separation effect is more obvious, but the strong Janus interaction will make the system into the disordered state of phase separation. At the same time we break through detailed analysis the local structure to give a qualitative explanation: the active driving force will tend to make the system of cluster state, Janus interactions tend to make system of long-range ordered state, two The competition makes the whole system with the change of activity of Janus Janus and the strength of "heavy" behavior. The polymer chain in the bath. The activity of perforation perforation behavior of polymer chains in nano aperture and biological pipeline has aroused widespread attention and in-depth research. On one hand, the research of polymer chain helps the perforation process to help us understand some of the actual biological systems important processes such as transcription process, on the other hand, by understanding the physical nature of the actual biological system of polymer chain and achieve some of the artificial regulation of perforation has its application value. But the long-term environmental perforation are currently considered the non active, so in this paper we important considering the influence of perforation of the polymer chain activated bath. The results show that when the volume fraction of active bath is fixed, the average time of perforation of polymer chain with active driving force The increase and the emergence of a non monotonic behavior: moderate activity driving force can make the whole process of perforation of the slowest. Further when the active driving force of fixed bath activity is relatively large and fixed, the average time of perforation with polymer chains increases the volume fraction of active bath will also appear in a non monotonic behavior: Bath activity of moderate volume fraction the fastest will make the whole perforation process. Based on the waiting time and total waiting time analysis, we found that the activity of bath has two effects on the polymer chain perforation: active particles tend to congregate in the aperture and thus hinder the polymer chain near the perforation; active particles will also tend to congregate in the polymer chain near the polymer chain to pull promote the polymer chain perforation, it is two kinds of interaction system competition leads to the emergence of non monotonic behavior. Finally, we further found through simulation There is a good scaling relationship between the perforation time and the length of the polymer chain, and the scaling exponent depends on the activity and volume fraction of the active bath.

【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.1

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