活性粒子是一种具有自驱动能力的粒子,可以将环境中其他形式能量转换为机械能推进自身运动,自然界中的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和众多单细胞微生物都属于典型活性粒子。在生物、化工和医学等领域中,受这些活性微生物的启发,研究人员不断开发出具有相似运动机制的人造颗粒,通过在流场中引入细菌或人造活性粒子,可以改变流体流变特性、强化分子扩散和提高气液两相传质速率等。而无论是生物活性粒子还是人造粒子,在液体环境中与之直接作用的流场多为剪切流场,近年来对活性粒子在剪切流场中特殊运动行为的相关研究也广受关注。本文通过实验、理论分析和模拟计算相结合的方式研究活性粒子大肠杆菌在流场中的运动行为,探究介观尺度下细菌的横向迁移机制。首先,选用典型的生物活性粒子大肠杆菌作为研究对象,介绍了细菌的培养方法并配置大肠杆菌悬浮液,利用微流控装置形成可控的剪切流场,通过高速显微图像采集系统捕捉细菌在流场中的运动轨迹,研究近壁面处大肠杆菌在静止水体和剪切流场中的运动行为,考察流场剪切速率和细菌自驱动能力对大肠杆菌横向迁移速度和转向频率的影响规律。结果表明,细菌在静止水体和剪切流场中的运动行为均可分为全局和局部两个部分,静止水体中细菌在全局角度下呈现近壁面圆周运动,局部则呈现直行和转向相互交替的运动模式。引入剪切流场后,全局运动转变为沿流场涡量方向的横向迁移运动,细菌自驱动能力越强、流场剪切速率越大,横向迁移速度越快,并呈现出强趋流性,局部运动中转向频率也随流场剪切速率增大而加快。之后,通过耦合剪切流场作用、壁面效应和鞭毛手性影响,构建大肠杆菌在流场中运动的角速度方程,结合实验结果深入探究细菌在流场中全局和局部运动行为,并引入临界剪切速率yc。理论分析结果表明,当流场剪切速率小于yc时,流场剪切作用影响较小,细菌主要受壁面效应和鞭毛手性影响,具有较强的跨流线迁移能力,横向迁移速度随流场剪切速率增加而迅速增大;剪切速率大于yc时,流场剪切作用占主导,细菌跨流线迁移能力减弱,横向迁移速度趋于稳定值。在局部的转向运动中,转向频率主要受剪切流场、细菌长径比和鞭毛手性影响,其中剪切流场作用占主导,所以细菌转向频率呈现出和实验结果相似的随剪切速率增大而线性增长的趋势。最后,在分子动力学基础上,构建具有大肠杆菌运动模式的活性粒子运动模型,并在介观模拟尺度下引入剪切流场,研究了流场剪切速率、细菌自驱动速度、圆周运动角速度和鞭毛手性诱导角速度等单因素对粒子运动行为的影响规律,基于耗散粒子动力学模拟,成功再现了细菌在剪切流场中的横向迁移现象。模拟结果表明,在介观尺度下,随着流场剪切速率增加,活性粒子与溶剂分子团间相对速度增大,粒子在横向迁移过程中受到的耗散阻力FDij也随之增加,所以横向迁移速度会在较小剪切速率下呈现快速增长的趋势,而随着剪切速率不断增大,横向迁移速率逐渐趋于稳定。基于实验测得的20℃至35℃时大肠杆菌实际运动数据,通过对粒子自驱动速度和圆周运动角速度的单因素分析发现,自驱动速度变化对细菌横向迁移影响更大并占主导地位。