棒状探针两粒子互相关微流变方法及其对复杂流体流变行为空间尺度特性的研究

近十几年来，微流变学在生物物理及软物质领域的重要应用价值使其迅速发展，具有广阔的应用前景。本项目针对目前微流变对高模量和空间受限系统流变行为空间尺度特性研究的不足，提出棒状探针两粒子互相关微流变。通过研究两棒状粒子之间平动和转动布朗运动互相耦合规律，建立互扩散张量、介质粘弹性与粒子间距和空间夹角之间的联系（广义Stokes-Einstein关系）。利用此方法测量高模量及空间受限系统不同空间尺度各向异性流变行为，改善微流变测量与体测量的相符性，将系统各层次结构的流变行为与功能性活动相联系，更好的描述和揭示生物物理现象。并通过研究胶体模型系统的微流变特性，从微观结构和动力学角度理解结构相变和动态各向异性系统粘弹性随空间和时间尺度的变化，为建立材料力学响应模型创造有利条件。本项目与国际研究趋势相吻合，将极大地拓展微流变在生物系统及复杂流体中的应用，为材料流变性质及生物物理现象的理解提供新思路。

本项目执行期间，按照研究计划目标，针对目前微流变对高模量和空间受限系统流变行为空间尺度特性研究的不足,在棒状探针两粒子互相关微流变的方法机理研究及实际应用方面取得如下成果。.（1）微流道中两棒状粒子互相关微流变的方法机理研究。.以非球形一阶近似的椭球作为棒状粒子，研究了微流道中两胶体椭球之间平动和转动布朗运动的相互耦合规律。对微流道中棒状粒子之间水动力相互作用进行理论推导；在不同宽度微流道中，利用不同大小及形状胶体椭球进行实验验证；将微流道宽度和深度，以及椭球形状等空间几何因素对互扩散的影响合理简化为等效参量；建立了两椭球间互扩散张量、介质粘弹性与粒子间距和空间夹角之间的联系(广义Stokes-Einstein关系)。此工作已在总结和投稿准备中。.（2）微流变分析在植物根部重力感应机制中的应用.植物向重力性一直是植物研究中最具争议的问题之一。我们利用野生型和细胞骨架突变体拟南芥，首次在根尖重力感应细胞内实施活体微流变分析，发现感重细胞活性骨架对淀粉体运动的牢笼效应，胞内局域粘度、根两侧生长素不对称分布和根弯曲角度间线性关系，提出肌动蛋白细胞骨架对淀粉体机械刺激转化为向重力性生物信号线性阻力效应的机制。此工作已被Mol. Plant 接受。.（3）高浓度二维胶体椭球溶液中微观结构动力学行为与宏观相变之间的定量关系.玻璃态转变本质是凝聚态物理重要难题和挑战。我们以二维胶体椭球模型体系，通过测量不同空间尺度系统微观结构演变、动力学及力学弛豫的时空非均匀性，揭示过冷液体运动减缓起源于构型熵降低和亚稳态团簇尺度增大，并为高模量空间受限系统非均匀流变行为测量提供研究基础。此工作发表于Nat. Comm.期刊。.（4）搭建了适用于细胞等生物体系和，体溶液等复杂流体及微流道等受限体系中，系统微观结构和微流变行为观测分析的实验计算装置。.未来将在如下方面取得突破进展和成果产出：（1）高维空间中两棒状粒子互相关微流变的方法机理研究；（2）光井捕获等主动微流变在活体细胞中应用；（3）复杂流体中各空间尺度结构、动力学和流变行为的实时同步观测。这些研究将极大地拓展微流变在生物系统及复杂流体中的应用,为生物物理现象及材料流变性质的理解提供新思路。