自泳活性胶体溶液的计算机模拟研究

Self-phoretic active colloid particle experiences a self-propelled motion due to phoresis effect induced by gradient fields which are produced by particle itself. Besides potential applications related to synthetic micromotors, self-phoretic active colloids as a typical non-equilibrium soft matter system display quite rich static and dynamic behaviors. Understanding the non-equilibrium phenomena of this system has recently become a hot issue in soft matter field. However, the existing theoretical and simulation studies of the self-phoretic active colloids is usually too simplified to properly deal with the important hydrodynamics and gradient-field effects. In this project, we will simulate the self-phoretic active colloids by using mesoscopic fluid model, which can correctly describe the solvent-mediated hydrodynamics and gradient-field effects. We will study non-equilibrium structure and phase transition behaviors, collective dynamics and rheology of the system at various concentrations and activities; investigate the response of the system to external fields, including boundary walls, external force and flow fields; and study the importance of hydrodynamics and gradient field. Our study can be helpful to clarify the microscopic mechanism of the complex phenomena of the synthetic active colloids, and provide insight to develop more reasonable theoretical model, to perform further experiments and to design novel smart materials and microscale devices.

自泳活性胶体粒子能够利用自身产生的梯度场所导致的泳效应进行自推进运动。除了作为人造微观马达的潜在应用，还具有十分丰富的结构与动力学行为，是一类典型的非平衡软物质系统。理解该系统的非平衡现象是目前软物质研究中的热点之一。现有的理论和模拟研究往往过于简化，没有很好地处理至关重要的流体力学和梯度场效应。本项目将采用介观流体模型对自泳活性胶体进行深入的模拟研究。该模型能正确地模拟溶剂分子所传递的流体力学和梯度场效应。我们将研究不同浓度和活性条件下，自泳活性胶体的非平衡结构及相变行为、集体动力学行为和流变行为；考察该系统对不同外场的响应行为，包括边界墙、外力场和外流场；考查流体力学及梯度场效应在其中所起的重要作用。本项目的研究将有助于澄清人造活性胶体复杂现象背后的微观机制；进而为发展更加合理的理论模型提供依据，并为执行进一步的实验研究和利用自泳活性胶体设计新型的智能材料与微观器件提供指导。

本项目采用介观流体模拟方法对自泳活性胶体的结构和动力学进行了深入的研究。我们所采用的方法能正确地模拟溶剂分子所传递的流体力学和梯度场效应。在该项目中，我们主要研究了以下内容：平动自泳活性粒子在不同边界墙条件下的动力学;设计了不同类型的自泳活性转子，并考察了转子对的运动行为;自扩散泳活性胶体溶液的非平衡结构,以及细菌溶液的结构和动力学;边界限制所导致的活性布朗转子系统的集体运动行为,以及外力场下的自泳活性胶体的空间分布和动力学行为。此外，在该项目执行的过程中，我们发展了一个高效的介观方案来模拟泳渗透边界，以及考察了角动量守恒对模拟自泳活性胶体溶液的重要性。这两个工作保证了该研究项目能够顺利地开展。进一步，对泳渗透边界和自泳活性转子的研究启发我们设计了几个新颖的微观器件，包括梯度场驱动的微流泵和扩散质量流驱动的微观涡轮机。截止到目前，我们已经在国内外知名学术期刊上发表了十一篇研究论文，而且仍有四个相关工作正在进行之中。我们所取得的成果不仅有助于澄清人造活性胶体复杂现象背后的微观机制，进而为发展更加合理的理论模型提供依据，而且也为执行进一步的实验研究和设计新型的智能微观 器件提供指导。