手性活性颗粒驱动下柔性囊泡/刚性圆的定向旋转和扩散

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活性物质系统能够在非平衡条件下从外部获得能量从而主动地运动,随机波动和自驱动之间的竞争使它们进入一个远离平衡的状态,所以它们的行为只能在非平衡统计物理的框架内解释和理解,对它们的深入研究能为非平衡统计物理提供一个理想的模型系统。在生物领域中,许多细胞扮演着自驱动颗粒的角色,如一些真核细胞,它们能够运用不同的方式在流体环境下定向移动,因此结构设计适当的活性颗粒能够将能量转化成所需的用途,这在物理学、化学、医学等领域中有广泛的潜在应用。本论文采用过阻尼朗之万动力学方法,研究了用手性活性颗粒填充的二维柔性囊泡和刚性圆的动力学行为,观察到柔性囊泡和刚性圆的单向旋转现象。对于柔性囊泡,其旋转角速度主要取决于填充手性活性颗粒的面积分数及其角速度。同时存在一个最优的活性颗粒角速度参数,使得囊泡的旋转角速度能取其最大值。而囊泡的形状也受填充的活性颗粒的角速度、面积分数,以及囊泡周长等的影响。在低活性颗粒浓度下,当活性颗粒角速度很大时,囊泡曲率的连续性受到严重破坏;而在高浓度下,活性颗粒几乎均匀地分布在囊泡内,导致囊泡各处的曲率较为均匀且形状接近于圆形。对于特殊设计的刚性圆,旋转角速度主要取决于填充手性活性颗粒的面积分数及其角速度,以及隔板的长度、数量和倾角。其中某些参数也存在最佳值,能使刚性圆的旋转角速度最大化。此外,囊泡和刚性圆质心的均方位移在短时间尺度上存在振荡现象,其振荡周期与手性活性颗粒的旋转周期一致。研究自驱动颗粒的非平衡态动力学,能够了解从宏观到微观诸如鸟群、菌落、组织修复和细胞骨架等有趣的自然现象,同时可以为沉浸在手性活性颗粒浴中的纳米尺度器件实现定向旋转提供一种优化方案。
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