自驱多体系统中自发流的涌现及其动力学特性

This project focuses on the theoretical aspect of spontaneous flows in self-propelled many-body systems and tries to illustrate the essentiality and universality of spontaneous flows in large-scale spatial dynamics in such far from equilibrium system. The so-called spontaneous flow is an emergent phenomenon and characterized by self-organized large-scale particle flows. While their emergences are prohibited in equilibrium or near equilibrium system, spontaneous flows are widely found in far-from-equilibrium self-propelled many-body systems, and play a key role in the dynamic processes in living systems, such as, metabolism, cell motion and the development of organisms. Guided by some reported experimental systems, we are going to study systematically the polar and apolar self-propelled particle system, both with and without hydrodynamic interactions. We will analyze the criteria for the emergence of spontaneous flow and its role in dynamic phase transition, pattern formation and dynamic evolution. We will combine theoretical analysis and simulation methods, and focus on the development and application of dynamic Monte-Carlo simulation, dynamic mean-field theory, instability analysis, flux analysis etc. to determine quantitatively the dynamics of spontaneous flows. We will also try to explore and apply the concept of spontaneous flows to the understanding of life phenomena such as cell motion in living systems.

本项目旨在从理论角度研究自驱多粒子系统中自发流对于系统非平衡动力学演化的重要意义，力图揭示其在自驱系统大尺度动力学中的普适性和关键性作用。所谓自发流是指在自驱多体系统中通过粒子自驱和相互作用所激发出来的大尺度物质流动。自发流不可能存在于平衡态和近平衡态系统中，但在各种远离平衡态的自驱多体系统中却普遍存在，并且是生命代谢，细胞迁移，组织形成等生命活动的重要物理基础。我们将结合一些已知的实验系统，通过理论和模拟相结合的研究手段来全面地研究极性和非极性自驱粒子系统以及考虑介质流体作用时系统中的自发流现象，包括自发流产生的条件，其对系统相变、形貌以及动力学演化的作用。方法上，将重点发展动态蒙特卡洛模拟和动力学平均场以及稳定性分析，流场分析等技术在定量化研究自发流中的应用。在此基础上，我们将试图拓展自发流概念在细胞迁移动力学等生命系统中应用。

《自驱多体系统中自发流的涌现及其动力学特性》从2013年开始受到国家自然科学基金委青年基金项目支持以来，顺利按照原计划书安排，在关于活性物质系统的理论和模拟研究中取得了良好的进展，较为圆满的完成了原计划书的各项理论和模拟方面的突破，取得了重要的研究进展。..本项目主要针对自驱多体系统中发流的涌现及其动力学特性开展一系列理论和模拟 研究。 我们知道所谓自驱粒子系统，是指一类由具有自驱动能力的个体通过相互作用，信息交换等方式所构成的多粒子体系。典型的例子包括：细胞中分子马达和蛋白微丝构成的细胞骨架系统；在更大尺度上，如驱动的颗粒物质，自由游动的细菌所形成的菌落，海洋中的鱼群，天空中的鸟群，甚至人类社会等等。这些系统中的个体，可以通过消耗能量实现个体的自驱动，并通过相互作用或者信息的交换来实现系统大尺度范围内的自组织现象。这些自驱动系统引发出一个新的物理概念：活力物质（active matter）,并成为软凝聚态物理和统计物理研究中一个新兴的交叉研究方向。..我们的研究给出了活力向列相的相变行为和动力学失稳机制。我们发现描述活力物质向列相态的一个确定性方程具有一个新的混沌相。在该相中，系统唯一可能的稳态解，即空间均匀相会发生失稳。同时由于长波失稳，大尺度空间不均匀性得以形成并且发生永不停息的演化。向列相有序区域可以从周围无序介质中吸收粒子，生长，分裂，进而又消散于无序相中，这种行为向我们显示体系中极为丰富的动力学效应，同时我们的研究揭示了系统中大尺度涨落的动力学失稳起源。在关于颗粒杆状体系中拓扑结构的动力学的研究中，我们通过模拟和理论的研究不仅揭示了拓扑结构的动力学存在强烈的不可逆动力学效应，同时拓扑缺陷在活力物质体系集体演化中起到了决定性作用。这一发现对于认识活力物质体系的宏观非平衡动力学有重要的作用。同时，我们的研究显示可以通过实时跟踪和控制拓扑缺陷来调控系统的集体动力学，这对于进一步的实验验证和应用具有较为重要的指导意义。