生物系统中细菌鞭毛细丝马氏体力学相变的理论研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
10902013
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
28.0万
负责人：
王晓玲
依托单位：
北京科技大学
学科分类：
A1003.天然生物材料、仿生与运动生物力学
结题年份：
2012
批准年份：
2009
项目状态：
已结题
起止时间：
2010-01-01 至2012-12-31

项目参与者：
孙朝阳；马玉升；杨晓楠；王晓文；
关键词：
多相相变细菌鞭毛细丝 Ginzburg-Landau理论力学相变

项目摘要

生物系统中的力学相变现象虽然可以追朔到35亿年前,但是对它们的研究工作近些年才刚刚开始。本课题探讨生物系统中细菌鞭毛细丝的马氏体力学相变现象；主要内容是对发生在细菌运动过程中细菌鞭毛细丝多相力学相变的理论研究。根据螺旋半径和周期长度不同，细菌鞭毛细丝呈现出12种不同的螺旋相，它们之间可以通过化学和力学的方法相互转变，不同的螺旋相对应着不同的微观分子结构。现有的研究并不能完全解释其力学相变实验现象。课题拟通过两种途径建立细菌鞭毛细丝多相力学相变理论模型：第一种方法通过对已有的细菌鞭毛细丝在流体力作用下的相变实验进行力学分析，得到其力学相变准则，运用Ginzburg-Landau唯像相变理论模型来描述细菌鞭毛细丝的宏观力学相变现象，第二种方法从细菌鞭毛细丝的微观分子结构入手，建立从微观到宏观过渡的细菌鞭毛细丝相变模型，来揭示细菌鞭毛细丝的微观力学相变发生机理。

结项摘要

近年来的实验研究发现生物系统中存在着与金属类似的相变现象，而这方面的研究工作才刚刚开始。本课题就是来探讨生物系统中的相变力学这一新的领域。实验发现螺旋状的细菌鞭毛细丝在体内和体外环境下均能发生多相相变，每一根细菌鞭毛细丝会有12种不同的螺旋结构，宏观上体现为不同的螺旋半径和螺旋周期长度。该课题的研究对象是细菌鞭毛细丝，研究的方向主要就是其力学相变。课题主要研究包括以下内容以及相应的关键结果和结论：.1).首先对已有的关于粘性力诱发的单根细菌鞭毛细丝周期性相变实验进行受力分析和数值计算；通过理论计算，我们得到细丝的相变准则，得出以下结论：1. 细菌的运动是由鞭毛细丝在粘性液体中的旋转产生的推动力来推进的，鞭毛细丝的几何参数比如周期长度，半径以及旋转频率都会影响细菌的运动速度。2. 在单根细丝相变过程中，扭矩和弯矩都在固定端部达到最大值对应着新相的形核，扭矩和弯矩同时对细丝的相变有贡献；其他的应力分量只引起细丝的弹性变形。3. 在新相传播的过程中，传播界面的扭矩和弯矩均为零，即相界面的 Maxwell应力为零，意味着共存的两相具有相同的自由能。这些分析结果为下一步相变理论模型的建立提供了依据。.2).在实验分析的基础上：1. 我们构造细菌鞭毛细丝力学相变的理论模型，建立二维朗道相变理论来描述鞭毛细丝从左螺旋状态到右螺旋状态的相变过程，这里我们基于Kirchhoff 细杆理论把细丝看作细长杆，我们选择鞭毛细丝的扭转率和曲率为序参量来建立自由能函数。2. 该模型可以对细丝进行相变稳定性分析，从而得到载荷和位移加载情况下的相变条件。3. 考虑扭转率和曲率的梯度能函数能够描述相界面的特性，即两相之间的过渡区域。.3).在非凸非局部朗道相变理论的基础上，我们来对位移加载的鞭毛细丝的相变过程进行有限元模拟，有限元程序的实现是以Ginzburg-Landau 为理论基础采用一维非凸非局部连续介质力学模型：1. 模拟结果可以描述相变的典型特征 – 新相的形核和长大；2. 非局部有限元模拟结果能够描述两相共存状态下两相之间的相界面厚度和结构特点，通过相界面传播的新相长大过程。3. 与时间相关的Ginzburg-Landau 相变理论用来描述在瞬态载荷加载下，细丝相变过程随时间的演化。非局部非凸有限元模拟的实现为研究相界面的能量、厚度和结构特点，以及相变的加载条件提供了一个工具。