低维二元胶体系统在外力驱动下的输运性质研究

Colloidal system, which has been applied to several fields including nano materials, photonic crystals, biosensors and so on, is one of the ideal theoretical models to study the basic problems of the solid state physics concerning crystalizing, structure defects, melting and transport properties. In nature and technology, many colloidal systems are mixtures of two types of particles under external force field. Therefore, the scientific focus has recently shifted to the binary colloidal systems under external driving force, particularly followed the transport properties closely. On basis of our previous work and in accordance with the latest experiments, this project mainly focuses on the theoretical study and numerical simulation of the binary colloidal systems under external driving force using the method of the molecular dynamics. The transport properties of our studied systems can be investigated and obtained through the numerical simulations of the particle velocities, particle trajectories, density distribution, and analyzing the particle separation (mixing) state. Furthermore, the present simulation method is planned to be revised and applied to the other classical solid state physics systems under driving force. This project emphasizes on the integration of the theory and experiment, and our simulation results will be compared with the corresponding experiments.

胶体系统是研究凝聚态物理中结晶、缺陷、熔解、输运等基本物理问题的理想理论模型，同时也在纳米材料、光子晶体、生物传感器等很多领域得到了广泛应用。由于实际存在的胶体系统很多由两种复合粒子组成（二元系统），且在实际应用中大多存在着外场力的作用，因此对受外力驱动下二元胶体系统的研究已成为近期胶体系统研究的热点方向，尤其关注其输运性质。本项目将在原有工作基础上，结合最新实验结果，对二元胶体系统进行理论研究和数值模拟（分子动力学方法），重点研究受外力驱动下二元胶体系统中不同种粒子的输运性质。通过计算在外力驱动下二元胶体系统中不同种粒子的速度变化关系，追踪不同种粒子的运动轨迹和密度分布，分析不同种粒子的分离（或混合）状态，得到系统的输运特征规律。同时本项目将进一步完善已有算法，将目前算法推广至其他受驱动的经典相互作用凝聚态系统。本项目重视理论与实验结合，将对模拟结果与实验结果进行对比验证。

胶体系统是研究凝聚态物理中结晶、缺陷、熔解、输运等基本物理问题的理想理论模型，同时也在纳米材料、光子晶体、生物传感器等很多领域得到了广泛应用。实际存在的胶体系统大多是二元系统，近年来含有自驱动胶体粒子（自泳胶体粒子）的二元系统成为胶体系统研究的热点方向，特别是输运性质研究。. 本项目首先在原有工作基础上，建立了准一维恒力自驱动下的胶体粒子与两种无驱动的被动胶体粒子模型，通过系统改变自泳粒子的驱动外力、两种被动粒子的电荷比、数量比研究两种被动粒子的速度变化以及分离效果的影响。研究表明，在外界恒力为10^-14N量级下，两种粒子的电荷比为10：1以及数量比为2:1时分离效果明显。接下来，本项目将研究体系拓展到二维，并基于修正的郎之万方程，建立了在抛物势约束中的周期性二维恒速自驱动粒子模型，同时考虑了自驱动粒子受到的角向微扰，数值模拟了恒速自驱动粒子在该抛物势作用下的稳定构型和输运性质。研究表明，在低密度时，系统形成的稳定构型主要受到自驱动粒子的速度和抛物势的强度的影响，两个因素呈竞争关系。在自驱动粒子速度较小，抛物势强度较强时，所有粒子被束缚在抛物势内，并可形成“三角”、“壳层”形的结构。当自驱动粒子速度较大，抛物势较弱时，部分自驱动粒子可挣脱抛物势的约束，在全空间自由运动。同时，在密度高于临界值后，抛物势外的恒速自驱动粒子系统可出现“聚集”现象。另外，在二维恒速自驱动粒子模型基础上，增加了第二种粒子，该种粒子为非自驱动粒子，即为被动粒子。通过数值模拟研究在不同参数系统下自驱动粒子的运动对被动粒子的构型、密度、速度等性质的影响。研究表明，自驱动粒子会对被动粒子在抛物势内外的分布产生重要影响。一方面可以通过调节自驱动粒子的速度和数量将被动粒子加速推入抛物势内，另一方面又可以通过参数调节将部分被动粒子推出抛物势外，使之脱离抛物势的束缚。这在一定程度上实现了利用自泳粒子对被动粒子的调控作用。. 本项目得到的理论结果可以通过人工合成的自泳胶体粒子、以及天然的自泳粒子（例如细菌等）进行实验验证。以上对自泳粒子和被动胶体粒子二元系统的研究结果，预期对相关实验中多元胶体粒子的分离、局域分布调控具有实际参数指导意义，对生物、医药、化学、物理等相关领域的实际问题，例如疾病治疗中药物颗粒的分离与分布控制具有重要的理论意义。