Experimental study of the conformation and dynamics of active colloidal polymers

活性胶体聚合物构象与动力学的实验研究

基本信息

  • 批准号:
    2028652
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 37.2万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-11-01 至 2024-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

An active fluid is a dispersion of self-driven particles in a liquid medium. This type of fluid is relevant to a broad class of biological and physical systems including suspensions of swimming microorganisms, synthetic colloidal swimmers and vibrated granular rods. Recent theories and simulations have greatly extended the study of simple active fluids made of compact solid particles to elongated flexible objects such as soft chains and filaments. Such research has transformed our understanding of the dynamics of flexible objects in nonequilibrium conditions (for example, biopolymers within living cells) and revealed unexpected collective dynamics of active fluids. Nevertheless, benchmark experiments that can quantitatively verify the wide range of theoretical and numerical predictions are still missing. This research project aims to address this gap and to perform experiments that study the shape and dynamics of active DNA-linked long chains of colloidal particles, the so-called colloidal polymers in analogy of linear polymer molecules. Two specific systems included in these studies are passive colloidal polymers immersed in light-powered bacterial suspensions and active Janus colloidal polymers whose activity arises internally from individual Janus particles via chemical reactions. The ultimate objective is to explore the possibility of using self-driven active colloidal polymers as artificial flagella. The project includes outreach efforts on designing demos for undergraduate fluid classes and for summer short courses attended by industrial practitioners. The project also aims to forge close collaborations between academic and industrial researchers.DNA-linked colloidal chains provide a concrete example of the classic bead-spring model of polymer molecules. By conveying activity to DNA-linked colloidal polymers, the research team will investigate the conformation and dynamics of active colloidal polymers and understand the fundamental polymer scaling relations out of equilibrium. The researchers will verify important theoretical and numerical predictions on the unusual behaviors of active polymers such as the swelling of polymer chains with activity, the self-assembly of hairpin structures, and the activity-induced softening and coil-to-globule transition. Moreover, by exploiting the collective dynamics of linked active Janus particles, the project participants will study a new approach for creating self-driven artificial flagella with periodic non-reciprocal beating motions. Such a flagellar structure would then be tested for driving the locomotion of synthetic microswimmers. Taken together, the project provides not only benchmark experiments corroborating existing theories and simulations but also a new way to engineer synthetic microswimmers for cargo delivery at microscopic scales.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
活性流体是在液体培养基中的自动颗粒的分散。这种类型的液体与广泛的生物和物理系统有关,包括游泳微生物的悬浮液,合成胶体游泳者和振动的颗粒状棒。最近的理论和模拟大大扩展了对由紧凑型固体颗粒制成的简单活性流体的研究,以延长的柔性物体,例如软链和细丝。这样的研究改变了我们对非平衡条件下柔性物体动力学的理解(例如,活细胞内的生物聚合物),并揭示了活性流体的意外集体动力学。然而,可以定量验证广泛的理论和数值预测范围的基准实验仍然缺失。该研究项目旨在解决这一差距,并进行实验,以研究胶体颗粒的活性DNA连接长链的形状和动力学,胶体颗粒,即线性聚合物分子类似的所谓胶体聚合物。这些研究中包括的两个特定系统是浸入轻型细菌悬浮液和活跃的Janus胶体聚合物中的被动胶体聚合物,其活性通过化学反应内部来自单个Janus颗粒。最终目标是探索使用自动驱动的活性胶体聚合物作为人造鞭毛的可能性。该项目包括在设计本科液体课程的演示和工业从业人员参加的夏季短期课程方面的宣传工作。 该项目还旨在建立学术研究人员和工业研究人员之间的密切合作。与DNA相关的胶体链提供了一个经典的聚合物分子模型的具体示例。通过将活性输送到DNA连接的胶体聚合物中,研究小组将研究活跃的胶体聚合物的构象和动力学,并了解基本聚合物比例的基本缩放关系。研究人员将验证有关活性聚合物异常行为的重要理论和数值预测,例如聚合物链的肿胀随活性,发夹结构的自组装以及活性诱导的软化和线圈到全球体过渡。此外,通过利用链接的主动Janus粒子的集体动态,项目参与者将研究一种新的方法,用于创建具有周期性非近代击败动作的自我驱动的人造鞭毛。然后,将对这种鞭毛结构进行测试,以驱动合成微晶状体的运动。综上所述,该项目不仅提供了证实现有理论和仿真的基准实验,而且还提供了一种以微观尺度来设计合成微武器的新方法。该奖项反映了NSF的法定任务,并通过评估该基金会的智力功能和广泛的影响来评估NSF的法定任务。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Crack patterns of drying dense bacterial suspensions
干燥致密细菌悬浮液的裂纹模式
  • DOI:
    10.1039/d2sm00012a
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Ma, Xiaolei;Liu, Zhengyang;Zeng, Wei;Lin, Tianyi;Tian, Xin;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
The colloidal nature of complex fluids enhances bacterial motility
  • DOI:
    10.1038/s41586-022-04509-3
  • 发表时间:
    2022-03-31
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Kamdar, Shashank;Shin, Seunghwan;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
To cross or not to cross: Collective swimming of Escherichia coli under two-dimensional confinement
  • DOI:
    10.1103/physrevresearch.4.023105
  • 发表时间:
    2022-05-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Ghosh, Dipanjan;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
Density fluctuations and energy spectra of 3D bacterial suspensions
3D 细菌悬浮液的密度波动和能谱
  • DOI:
    10.1039/d1sm01183a
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Liu, Zhengyang;Zeng, Wei;Ma, Xiaolei;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Xiang Cheng其他文献

OPTIMAL MULTI-SENSOR MULTI-VEHICLE (MSMV) LOCALIZATION AND MOBILITY TRACKING
最佳多传感器多车辆 (MSMV) 定位和移动跟踪
Preparation and characterization of majority solid waste based eco-unburned permeable bricks
多数固废基生态免烧透水砖的制备及表征
  • DOI:
    10.1016/j.conbuildmat.2020.120400
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Lei Liu;Xiang Cheng;Xiwang Miao;Yonglin Shi;Meixia Zhang;Min Guo;Fangqin Cheng;Mei Zhang
  • 通讯作者:
    Mei Zhang
An Energy-Efficient and Swarm Intelligence-Based Routing Protocol for Next-Generation Sensor Networks
适用于下一代传感器网络的节能且基于群体智能的路由协议
  • DOI:
    10.1109/mis.2014.79
  • 发表时间:
    2014-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Changle Li;Yulong Duan;Jin Yang;Xiang Cheng
  • 通讯作者:
    Xiang Cheng
Bond-breaking induced Lifshitz transition in robust Dirac semimetal VAl3
鲁棒狄拉克半金属 VAl3 中的键断裂诱导 Lifshitz 转变
A fractal analysis of the crack extension paths in a Si3N4 ceramic tool composite
Si3N4 陶瓷刀具复合材料中裂纹扩展路径的分形分析

Xiang Cheng的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Xiang Cheng', 18)}}的其他基金

Collaborative Research: Experiments and Modeling of the Fluid Flow of Beating Eukaryotic Flagella
合作研究:真核鞭毛跳动流体流动的实验和建模
  • 批准号:
    2242095
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
2022 GRC on Granular Matter: Particulate Systems Across Scales: From Colloidal Science to Geophysical Flows
2022 GRC 颗粒物质:跨尺度的颗粒系统:从胶体科学到地球物理流
  • 批准号:
    2203110
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Proposal: Impact of a colloidal suspension droplet: suspension flows at extreme shear rates
合作提案:胶体悬浮液滴的影响:悬浮液在极端剪切速率下流动
  • 批准号:
    2002817
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
A study of the dynamics of drop impact: Impact forces, pressure and shear stress distributions
跌落冲击动力学研究:冲击力、压力和剪应力分布
  • 批准号:
    2017071
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
2018 Gordon Research Conference on Granular Matter: The Interdisciplinary Nature of Particulate Systems
2018年戈登颗粒物质研究会议:颗粒系统的跨学科性质
  • 批准号:
    1829120
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Disentangling the dynamics of shear banding in entangled polymer solutions
解开缠结聚合物溶液中剪切带的动力学
  • 批准号:
    1700771
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Producing Conductive Polymer Composites by Placing Graphene at the Interfaces of the Blended Polymers
通过将石墨烯放置在共混聚合物的界面上来生产导电聚合物复合材料
  • 批准号:
    1661666
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
An experimental study of rheology and microscopic dynamics of sheared active fluids
剪切活性流体的流变学和微观动力学实验研究
  • 批准号:
    1702352
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Liquid-drop impacts on granular surfaces and the universality in granular impact cratering
职业:液滴对颗粒表面的撞击以及颗粒撞击坑的普遍性
  • 批准号:
    1452180
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
    Continuing Grant

相似国自然基金

文本—行人图像跨模态匹配的鲁棒性特征学习及语义对齐研究
  • 批准号:
    62362045
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    32 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
基于深度学习方法的南海海气耦合延伸期智能预报研究
  • 批准号:
    42375143
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目
面向机器人复杂操作的接触形面和抓取策略共适应学习
  • 批准号:
    52305030
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
社交媒体中的上市公司谣言识别、后果及治理研究:多模态深度学习视角
  • 批准号:
    72302018
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
资源受限下集成学习算法设计与硬件实现研究
  • 批准号:
    62372198
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Molecular Mechanisms of TRIB1 Regulation of Hepatic Metabolism
TRIB1调节肝脏代谢的分子机制
  • 批准号:
    10660520
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
Harmony AI: Natural Language Processing Enabling Advanced Biomanufacturing
Harmony AI:自然语言处理实现先进生物制造
  • 批准号:
    10761082
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
Towards the understanding of how chaperones function and prevent amyloidogenic diseases
了解伴侣如何发挥作用并预防淀粉样蛋白形成疾病
  • 批准号:
    10734397
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
Trans-synaptic optical control of user-defined synaptic connections
用户定义的突触连接的跨突触光学控制
  • 批准号:
    10732081
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
Nanoscopic Membrane Modulations Induced by Nanoscale Oligomers
纳米级低聚物诱导的纳米膜调节
  • 批准号:
    10790511
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 37.2万
  • 项目类别:
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了