微驱动软物质体系的拓扑结构和集体动力学

Soft matter system can be driven far from equilibrium with the emergence of multi-scale collective dynamics through micro-driven processes. Combined with experimental systems, this project focuses on the simulation and theoretical studies on the abnormal dynamics of topological defects excitated in active matter system in different symmetry and dynamical conditions. We start from simulation and then derive corresponding dynamic mean field equations which are further truncated into hydrodynamic equations by mode expansions. Using such powerful theoretical approaches, we are going to illustrate and understand the excitation mechanism of topological defects and their abnormal collective dynamics. We are going to investigate the topological defects emerging in polar, nematic, chiral, and crystal order states etc. We will analyze the dynamic instability mechanism and compute or simulate the evolution dynamics of topological defects. This project will not only promote our understanding on the dynamics of topological defects including their excitation, annihilation and transportation, but also help to illustrate the dynamic instability mechanism and the origin of collective motion in active matter systems.

软物质系统在微驱动力作用下可导致系统远离平衡态，出现多尺度的集体动力学效应。这类体系就是最近引起人们广泛关注的所谓活力物质体系。本项目旨在结合相关的实验研究，通过模拟和理论分析结合来研究该类物质中不同对称性和动力学条件下所激发出来的拓扑缺陷结构的反常动力学行为。我们采用从模拟出发，推导相关动力学平均场方程，再通过模量展开近似到流体动力学表述并求解。我们将通过这一系列理论手段阐明不同活力物质体系中拓扑缺陷的生成机制及其集体动力学。该项目中将系统地涉及到活力物质体系的极化序，向列相，动力学及结构手性，晶态等有序结构中可能涌现的拓扑缺陷结构，分析其动力学失稳机制，通过数值计算和模拟研究这些体系中的拓扑缺陷演化动力学。这一项目的开展，不仅将促进我们对活力物质中拓扑缺陷动力学（包括激发，湮灭及输运）的认识，同时也将更深刻地揭示活力物质体系的动力学失稳机制及相关的集体动力学行为。

活性物质是一类十分广泛存在的物质状态。它突破了人们对于物质体系能量输入的传统认识。在活性物质体系，个体单元可以将能量转变为各种力学运动。这类物质体系在微观层次进行能量输入，突破体系能量瓶颈，从而驱动系统远离平衡态。同时个体的运动可以通过相互作用耦合在大尺度展现出极为惊人的集体动力学行为。活性物质有序态的拓扑结构由于其特殊的拓扑性质，在体系的集体动力学中起到及其重要的作用【Shi & Ma, Nature Communs, 2013】。本项目通过理论模拟结合的手段，对活性物质体系拓扑结构的重要的物理特性进行了深入的研究。（1）对自驱动方向可逆型极化活性粒子活性物质体系的相变动力学进行了深入的研究。发现体系的有序态具有BKT拓扑序，而体系的有序无序相变则类似于连续相变，有别于二维的KT相变。进一步的研究发现，相变过程中拓扑缺陷的奇异动力学可能是导致这种相变的根源。（2）发展了一套粒子流场耦合的理论模拟方法，可以研究活性物质体系大尺度的集体动力学行为。利用这一方法成功解释了细菌体系菌落中观察到的大尺度椭圆轨道振荡行为。发现其中Stokes流体的不可压缩性是体系轨道发生压缩的原因。（3）利用相关模型定量化研究杆菌体系产生的拓扑结构动力学。并利用拓扑结构和流场的动力学量来匹配模型参数，从而可以在简化的粒子模型中定量重现拓扑缺陷在大时空尺度的生灭和自发迁移。相关工作分别发表于PRL, Nature及PNAS. 该项目的研究表明复杂如细菌菌落可以用一套非常简单的动力学方程精确描述。对活性物质体系的深入研究不仅对理解生命体系所展现的丰富动力学行为具有重要的作用，同时利用体系优越的非平衡性质，可以尝试建立普适的非平衡统计理论。