活性杆状粒子体系的相行为和动力学:模拟和运动学方程理论

Active matter is a fast growing field involving soft matter, biology, with statistical physics methods at its core. Active rod-like particles aligning by pure physical interaction constitute one of the most common and simple active matter systems. Lots of examples in nature, like cytoskeleton, cell, bacteria, colloids, driven granular system, etc. Various emergent dynamics observed in scattered, partial studies, it needs a global synthetic view and deeper theoretical understanding. In this project, we will focus on exploring multi-dimensional parameter spaces to give a synthetic view of active rods system. By developing a fast simulation algorithm, we can explore the phase space efficiently. Moreover, with the obtained phase-map, we will study the asymptotic behavior of different phases using finite size analysis. Further coarse-graining of the simulation model will help the development of kinetic theory, which may enable a deeper understanding of the intrinsic dynamic properties of the phase transition dynamics and the asymptotic nature of different phases. Future collaboration with experimental group is expected with such a global theoretical understanding of active rods system.

活性物质体系是目前物理学交叉研究中一个快速成长的领域，它以统计物理学、软物质物理的理论分析方法为核心，与生物物理及能源材料等领域交叉渗透。自驱杆状粒子通过纯物理排斥相互作用发生取向有序，形成集体运动，是一类最常见也最简单的活性物质系统。在自然界有非常多的例子，比如细胞骨架，细胞和杆菌体系，驱动胶体和颗粒体系。自驱动杆状粒子体系常常呈现丰富的层展结构。目前在理论和模拟研究方面尚缺乏系统的研究和全局的理论理解。在本项目中我们将全局扫描活性杆状粒子体系的参数空间。通过发展快速的模拟算法，我们可以十分有效的在大尺度上遍历体系的相态空间。同时，模拟结果将帮助我们发展新的自驱动杆状粒子体系的运动学方程理论。相关的理论分析可以使我们更好的理解体系相变动力学本质，以及各种相态在大尺度下的极限行为。在全面掌握和理解活性杆状粒子的相行为的基础上，我们期待和相关实验小组针对该类体系开展有效的合作研究工作。

自驱杆状粒子通过纯物理排斥相互作用发生取向有序，形成集体运动，是一类最常见也最简单的活性物质系统。在自然界有非常多的例子，比如细胞骨架，细胞和杆菌体系，驱动胶体和颗粒体系。自驱动杆状粒子体系常常呈现丰富的层展结构。目前在理论和模拟研究方面尚缺乏系统的研究和全局的理论理解。在本项目的研究中，我们针对自驱动杆状粒子系统的一些基本的物理学问题进行系统的研究。我们发展了高效的计算模拟方法，从而可以在模拟上进行多维参数空间的扫描,并且首次得到了高维参数空间的相图。此外，我们亦瞄准如何将不同自驱动杆状粒子体系进行统一，放入统一的理论研究框架，从而更为系统的认识自驱动活性粒子体系的相行为和动力学行为。在此基础上，我们针对自驱动杆状粒子发展自洽的运动学方程理论，以期从理论角度更好的刻画系统的动力学态，理解其非平衡动力学的关键理论结构。我们有效的在大尺度上遍历体系的相态空间。同时，相关的理论分析可以使我们更好的理解体系相变动力学本质，以及各种相态在大尺度下的极限行为。我们也与相关实验小组针对该类杆状细菌体系开展了有效的合作研究工作。