人造活性胶体趋向行为的模拟研究

Tactic behavior is the movement of microorganisms following a physical or chemical signal in environment, such as chemotaxis, thermotaxis and phototaxis. It is an important method by which microorganisms search for food and avoid damage. Biomimetic artificial active colloids have attracted extensive interests due to their important values in nonequilibrium physics and practical applications. The study of the taxis of artificial active colloids is extremely important to understand the response of the active colloids to external fields and realize the controllable transport and self-assembly of active colloids. However, the existing related works usually provide a phenomenological description of the taxis and cannot clarify its underlying complex microscopic mechanisms. In this project, we will use the mesoscale dynamics simulation to systematically study the chemotaxis, thermotaxis and phototaxis of artificial active colloids. In particular, we will investigate the microscopic physical mechanisms of the taxis of active colloids, the important effects of hydrodynamics and boundary wall on the tactic behaviors, and the collective tactic behaviors of many active particles, and we will also develop new schemes to realize the taxis and control the active colloids. These studies are of great significance to reveal the microscopic mechanisms of the taxis, understand the nonequilibrium structure and dynamics of active colloids in external fields, and explore the practical application of artificial active colloids.

趋向行为指的是微生物组织跟随环境中的物理化学信号场运动的现象，如趋化、趋热和趋光运动。它是微生物组织在涨落的复杂环境中获取食物和逃避危害的重要手段。仿生的人造活性胶体由于在非平衡物理和实际应用上的重要价值，已经引起了人们广泛的兴趣。研究人造活性胶体的趋向行为，对理解活性胶体在外场中的响应、实现活性胶体的可控输运及自组装，无疑是极为重要的，但已有的研究工作通常是对其进行唯象地描述，并不能清楚地识别其背后的复杂微观机制。本项目拟采用介观动力学模拟方法，系统地研究人造活性胶体的趋化、趋热及趋光行为。我们将重点探究趋向运动的微观物理机制，考察流体力学及边界墙对趋向运动的重要影响，调查多个活性粒子的集体趋向行为，发展实现活性胶体趋向运动的新方案及操控活性胶体的新手段。本项目对揭示人造活性胶体趋向行为的微观机制，理解外场中活性胶体的非平衡结构与动力学，以及开发人造活性胶体的实际应用都具有重要的意义。

本项目采用了计算机模拟和理论分析的方法，系统地研究人造活性胶体的趋向运动行为。我们重点探究了趋向运动的微观物理机制，考察了多个活性粒子的集体趋向运动、以及胶体粒子在复杂环境中的相互作用和动力学行为。该项目开展的研究内容包括以下几个方面：（1）研究了人造活性胶体的趋化运动行为，澄清了其背后的微观物理机制，在此基础上考察了具有化学通讯效应的活性胶体的新型集群运动；（2）考察了各向异性胶体粒子在温度梯度场中的热泳运动行为，并基于此设计了几类胶体器件；（3）研究了人造活性胶体的趋光性运动行为，并与实验组合作开发了多种活性胶体的光操控方案；（4）探究了活性胶体及非活性胶体在复杂环境中的有效相互作用和输运行为，发现了新型的相互作用机制和输运规律。截止到目前，我们已经在国内外知名学术期刊上发表了25篇学术论文。所取得的研究成果不仅揭示了人造活性胶体趋向行为的微观机制，也对理解复杂环境中胶体粒子的相互作用、动力学与集群行为，以及对开发人造活性胶体的实际应用都具有重要的意义。