受限环境中二聚物纳米马达的自组装研究

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自然界中的生物系统都存在着高效的生物马达,它们在细胞活动中担任着重要的作用,经过数百万年的进化已经可以完美的匹配生命体完成其生命活动的功能。受到这些精巧的生物马达的启发,近年来设计人工纳米马达逐渐成为一个新兴的研究领域。得益于纳米技术突飞猛进的发展,科学工作者们已经设计出结构复杂,功能多样化的微纳米马达并能够实现远程精准控制,应用于医疗、生活、环境等各个方面。本文采用介观数值模拟方法(分子动力学结合反应多粒子碰撞动力学方法),通过构造不同形状的化学斑图受限环境,研究了自驱动二聚物马达在这样的环境中展示的自组装动力学行为,探讨了形成的微结构的机理。论文第一章介绍了微纳米马达的研究发展状况,特别是目前马达的驱动形式、应用前景以及本文的研究背景。在第二章节中,我们建立了二聚物纳米马达运动模型以及溶液粒子与马达的多粒子碰撞动力学模型,阐述了研究模型所需要的分子动力学方法和多粒子碰撞动力学的基本方法,以及实现大量分子模拟的周期性边界条件。在第三章中,我们首先研究了单个二聚物微纳米马达在泳道状受限活化环境的运动行为;接着,通过改变受限活化三维斑图的形状,我们获得二聚物微纳米马达的集群组装现象。为了进一步的研究微纳米马达的数量和化学活性斑图形状与马达集群自组装现象的联系,我们增加了二聚物微纳米马达的数量,提高了其在化学活性斑图中的体积占比。通过径向分布函数和局部方向序函数以及马达运动机理分析,我们发现同一化学活性斑图受限环境中,拥挤会影响马达的自组装行为,不同的形状的化学活性斑图也会影响微纳米马达的自组装行为。我们对自组装生成的集体微结构进行了细致的分析。本文的研究有助于理解受限条件下微纳米马达的动力学行为和自组装结构,促进了各类不同的微纳米器件的实现。
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