自驱微生物-聚合物混合溶液中流体力学相互作用的数值与理论研究

Mixture of self-propelled microorganisms and polymers is ubiquitous in nature and laboratory. The hydrodynamic interaction dominates many properties of the mixture. At present, a lot of experimental observation, numerical simulation and theoretical analysis have been carried out for the mixed system of microorganism and small particles in academia. However, there is still a lack of reliable numerical simulation and theoretical models for more complex polymer systems with internal multi-degree of freedom. In order to reveal the key role of hydrodynamic interaction in structure and dynamics of the mixture, the project will develop numerical simulation method and theory on polymer and self-propelled microorganism. We mainly focus on two key properties of the mixture: 1) morphological transformation and dynamic properties of polymers, including buckling, reversal, migration and diffusion. 2) The movement of self-propelled microorganisms in polymer suspension, including acceleration, deceleration and tumbling. Methodologically, this project intends to develop Stokeslets method and the application of Brownian dynamics simulation with hydrodynamic interaction. We aim to construct kinetic equation about mixing and transport of microorganism and the statistical mechanics of chain molecules and derive the analytical expression of polymer distribution function and diffusivity and develop the simplified model of bacterium swimming in complex suspension. We search for the fundamental fluid mechanics and statistical physics underlying these phenomena. Furthermore, this project will discuss the design, control and application of micro-nano smart devices.

自驱微生物与聚合物的混合溶液广泛存在于自然界与实验室中。其流体力学相互作用主导了溶液诸多性质。当前学术界针对微生物与小颗粒混合体系进行了大量的实验观察、数值模拟与理论分析，然而对更复杂的、具有内部多自由度的聚合物体系，尚缺乏可靠的数值模拟与理论模型。本项目拟针对此混合溶液开展数值研究与理论分析，力图揭示流体力学相互作用对体系结构与动力学演化的重要意义。我们将重点研究混合溶液的两个关键性质：1）聚合物分子的形态转变与动力学性质。包括其在溶液中的屈曲、翻转、迁移与扩散。2）自驱微生物在聚合物溶液中的运动。包括加速、减速以及转向。方法上，本项目拟发展斯托克斯点力方法和含流体的布朗动力学模拟在此系统中的应用。并建立链分子的随机混合输运方程，推导聚合物分布函数和扩散率的解析表达，发展在复杂溶液中的细菌的运动简化模型。挖掘更深层次的流体力学与非平衡统计物理规律，并探讨微纳智能器件的设计、控制和应用。

本项目的主要研究对象是以细菌为主体的活性物质和链状聚合物体系。我们围绕着这个主题展开研究工作。我们主要致力于对细菌溶液描述的改进，利用斯托克斯点力的方法研究了在近场流体物理下，提出了普适的自驱细菌模型。从物理上，该模型能自洽的解释诸多细菌的新奇实验，如流体阱、团簇等现象。在计算上，该模型能用于模拟大量细菌组成的溶液中的群体行为。在聚合物输运理论方面，我们利用模耦合理论和非线性朗之万方程，推导了长链聚合物在球状粒子溶液中扩散的具体表达式。该表达式统一地处理了粒子密度、聚合物长度以及相互作用势对于扩散的影响，并在硬球模型下给出了与模拟和实验一致的结果，预测了聚合物扩散长链的标度行为。进一步，我们利用Marko-Siggia DNA模型和棒状聚合物模型，对聚合物在细菌流体中的行为进行建模。利用混合输运理论，进一步揭示了其构象和扩散系数在不同细菌参数下的行为，同时也发现了在集体流场中不同纵横比的棒状聚合物的扩散行为。我们的结果展示了复杂流体环境和复杂分子结构相互作用下，丰富的流体输运行为，为相关微流体和活性物质的应用提供了理论基础。本项目部分成果发表于PNAS, Macromolecules, Soft Matter, EPL等期刊，另有两篇尚在撰写分析中。总之，本项目广泛地研究了自驱动微生物和聚合物系统的相关物理特征，在理论模拟取得了相应的成果。

内容获取失败，请点击重试