活性胶体/聚合物的玻璃态结构与动力学

Active colloidal glass is an emerging hot topic in the research of glassy state. The nonequilibrium property of active colloidal glass comes from two opposite origins: self-propulsion of the motion of colloidal particles vs. arrested dynamics of colloidal particles at high density. Therefore, active colloidal glass is a valuable research model in soft matter and nonequilibrium statistical physics. The research in this area is just started. There are a bunch of problems and questions to be explored. And, the theoretical understanding is lacking. In this proposal, we plan to extend the microscopic nonlinear Langevin equation theory for colloidal and polymer glasses to the active ones. By integrating theoretical and numerical methods, we are able to learn the properties of structure and dynamics of active glasses in the microscopic level. The theme of the study is the differences between the ordinary thermal glass and active glass. We will focus on the different roles that the amplitude and the persistence time of the driving force, which are quantities characterizing the activity of colloidal particles or monomers, play in the glassy behaviors. The systems we plan to study include active colloidal glass, mixture of active and passive colloidal glasses and active colloidal polymer glass. Since the effect of boundary and confinement on the glassy behavior has received many concerns and moreover the boundary has strong and novel influence on active matter, we are also going to study the effect of confinement size and boundary shape on the properties of active glass.

活性胶体玻璃是近年来玻璃态研究中的一个新热点。它包含了两种相反的非平衡产生机制：胶体粒子运动被自主驱动（活性）和高密度下胶体粒子运动被限制（牢笼现象），因而成为软物质和非平衡统计物理中一个很有价值的研究体系。这方面的研究工作才刚刚起步，很多问题需要深入的探索和研究，理论工作也很缺乏。本项目提出把描述胶体和聚合物玻璃化转变与动力学的微观非线性朗芝万方程理论拓展到活性胶体/聚合物玻璃。结合理论和模拟的手段，从微观层次上认识活性玻璃的结构和动力学特征。我们将围绕活性玻璃与普通热力学玻璃的差异这一主题来开展研究，探讨胶体粒子或聚合物单体活性参数如自驱力大小和持久时间在其中所起的不同作用。我们的研究体系包括活性胶体玻璃、活性与非活性混合胶体玻璃和活性聚合物玻璃。另外，边界和受限效应一直是玻璃材料研究中很受关注的一个课题。边界对活性物质有特别的影响，我们将探讨不同受限尺度和边界形状下活性玻璃的行为。

本项目的主要研究对象是活性胶体和聚合物体系，我们围绕这个主题开展了研究。目前的研究成果集中于活性胶体或聚合物在中等浓度或有边界受限条件下自发堆积形成团簇的现象。这种局域高密度堆积结构的形成机理及其动力学特征，将有助于我们理解全局活性胶体/聚合物玻璃的结构与动力学。具体来说，我们在如下四个方面取得了进展。1） 活性囊泡（由环形聚合物链与活性胶体组成）的动态组装及相行为。 我们的设计为探索形变对活性物质行为（例如软体活性物质在复杂环境中的输运特性及集体堆积行为）的影响提供了一种模型体系，我们的研究结果为进一步深入探索各种可形变活性物质的集体行为提供了参考。2）活性胶体在聚合物刷（鞭毛）结构周围的堆积及定向流的形成。我们的研究阐明了自发对称性破缺及定向流产生的机理，为柔性微器件的设计提供了新的思路。3）活性胶体粒子驱动的聚合物伸展塌缩相变。我们的研究阐明了富集在链上的活性粒子是如何控制链的伸展塌缩过程的，这为动态调节链的结构转变提供了新的途径。4）活性胶体在介质中的堆积和输运。我们发现活性胶体在介质周围形成高密度堆积的玻璃态，但形成过程很特别，可以分成三类：类似普通扩散的方式、中心成核的方式和随机成核的方式。我们的结果展示了活性物质在复杂环境下的行为，为活性物质的应用提供了基础。