自驱动复杂体系的集聚行为及其动力学过程的研究

Self-propelled system ranging from bacterial suspensions to flocks of birds is universal existence in the nature, which is a non-equilibrium system, and it can be an emerging paradigm on the interface of physics, chemistry and biology, therefore, it is important to study their collective motions and their phase transitions, and this investigation can help us understand collective behaviors in the nature. In this project, we will investigate the dynamics process and the phase transition of complex systems of self-propelled nanorods mixed with polymers based on Vicsek model using molecular dynamics simulation, and will study the effects of polymers on the collective behaviors of self-propelled nanorods. We will also investigate the effects of boundary conditions on the conformations and their dynamics processes of the self-propelled systems based on the continuum model with Cahn-Hilliard Equation and dynamical mean-field theory. We will investigate the dynamics and the collective motions of self-propelled polymers based on molecular dynamics simulation, and discuss the special conformations of self-propelled polymers. We will study the effects of hydrodynamics on the collective behaviors of self-propelled nanoparticles or self-propelled polymers using multi-particle collision dynamics and molecular simulations. We hope that our investigation can provide some insights into the collective motions of complex self-propelled nanoparticle (or self-propelled polymer) systems.

自驱动体系在自然界中普通存在，是一类典型的非平衡多体相互作用体系，这类体系经常是沟通各学科研究的桥梁，因此系统研究其集聚行为及其动力学过程对于了解自驱动体系中的集聚运动规律、理解自然界中各种自驱动集聚行为具有重要的科学意义。拟采用Vicsek模型结合分子动力学方法研究自驱动纳米颗粒/高分子链等复杂自驱动体系的动力学过程及微观相分离，讨论高分子链等的存在对自驱动纳米颗粒集聚行为的影响。采用连续性模型，用动态平均场理论研究不同边界条件下自驱动体系的构象，重点研究自驱动纳米颗粒的运动方式与边界条件的关联性。研究自驱动高分子链体系的动力学过程，阐明自驱动高分子链体系在高分子链构象与动力学性质等方面的特点。研究流场环境下自驱动体系各单体之间相互作用相互影响的机理，揭示流场环境对自驱动体系动力学过程的重要性。最终希望能够对自驱动复杂体系中的非平衡态行为及其相结构转变等方面有较全面地了解。

自驱动体系在自然界中普通存在，如游动的群鱼、奔跑的马群、飞翔的鸟群、行走的人群等，自驱动颗粒由于能够推动自身运动，因此存在随机波动和自驱动之间的相互竞争，使它们进入一个远离平衡态的非平衡态过程，因此研究自驱动颗粒的非平衡动力学过程对于了解自驱动颗粒体系中的集聚运动规律、理解自然界中各种自驱动集聚行为具有重要的科学意义。我们采用Vicsek模型结合分子动力学方法研究了自驱动颗粒体系中楔形纳米棒之间相互作用情况，发现了仅仅通过改变楔形纳米棒形状就能实现楔形纳米棒之间吸引-排斥相互作用的转变，表明楔形纳米棒的不同边界条件深刻影响着自驱动颗粒体系的构象及其集聚行为。发现了纳米棒形状的非对称性诱导纳米棒之间吸引-排斥相互作用转变的现象，讨论了在非平衡态体系中纳米棒之间相互作用的特殊性。采用过阻尼朗之万动力学方法研究了填充手性自驱动纳米颗粒囊泡的动力学行为，观察到囊泡的定向旋转，研究了影响囊泡定向旋转的各种因素，并从理论上讨论了囊泡特殊的动力学过程。研究了手性自驱动纳米颗粒诱导一般颗粒在管道中的有效定向输运问题，找到了实现颗粒有效输运的最佳方案，提供了一种实现生物体系微观输运的一种有效方法。研究了二元自驱动纳米颗粒体系中纳米颗粒从无序态到对流态的相转变现象，分析了纳米颗粒对流相的微观结构特点，通过在非平衡态体系中嵌入倾斜板实现了对纳米颗粒对流相结构的精确调控。通过这些研究能够帮助我们对自驱动体系中的非平衡态行为及其动力学行为等方面有较全面地了解。