光控自驱动粒子在光场调控下的自组装行为研究

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活性粒子体系是自然界中最常见的体系,大到宏观世界的羊群,鱼群甚至是行走人群的聚集,小到微生物的集体捕食行为等,他们将自身储存的能量或者从外部吸收的能量转化为自身的机械运动,这种自驱运动展现出与我们平常所见的被动运动完全不同的特性。近年来,各种各样的活性物质体系在实验室中被设计并制作出来,极大地推动了对活性物质体系动力学行为的研究。同时,利用非平衡物理理论模型,借助计算机模拟,能够很好地揭示和探究这类体系特殊的动力学行为背后的机理。本论文采用基于郎之万方程的分子动力学(MD)方法,以一种新颖的光控粒子为研究对象,这些粒子最有趣、也可能最有用的特征之一是它们的推进力可以被光激活,通过设置外部光场操纵这一自驱动体系进入或者退出平衡,系统研究了外部光场诱导下光控粒子的自组装行为。首先,第一章我们对活性物质及其动力学特性进行了简单介绍,对什么是活性物质,活性物质特殊的集体运动行为,以及所展现出的奇特的物理现象有一个大致的认识和了解。第二章我们对本文所使用的模拟方法进行了详细介绍,阐明了分子动力学的一些基本原理以及实现方法,对模拟所遵循的牛顿运动学方程和模拟过程中遇到的基本问题做了细致描述,同时对模拟使用的软件LAMMPS进行了简单介绍。第三章我们研究了条纹状掩膜诱导下光控自驱动粒子的运动行为,研究发现,在遮光区存在的情况下,光控粒子发生了无序-有序的相转变,随着遮光区宽度的不断减小,粒子开始从横向相分离向纵向相分离转化。同时,我们还探究了粒子旋转扩散系数Dr对体系相分离的影响,得到了Dr与遮光宽度对体系自组装行为影响的二维相图,发现随着旋转扩散系数的增加,需要宽度更小的遮光区才能形成稳定连通区。第四章,我们研究了阶跃函数式动态光场调控下光控粒子的集体运动行为,主要探究了粒子间相互作用以及粒子密度对光控粒子体系的自组装行为的影响。研究表明,低密度下,粒子会随着光场的变化发生周期性的粒子波动;高密度下,粒子的周期性波动消失,自组装形成大的团簇。最后,在第五章中,我们简要地概括和总结了本文研究所得到的主要结论,同时对后续工作作了简要的展望,希望本论文对今后相关的理论和实验研究工作有一定的参考价值。
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