2017年10月杂志俱乐部:活性物质的多尺度建模与模拟

唐高

密歇根州立大学机械工程系和计算数学、科学与工程系

介绍

活性物质是一类由自驱动成分组成的新型非平衡材料，它对材料的设计、控制和分析提出了新的挑战。活性物质的例子包括游动的细菌群[1]、自我推进的胶体颗粒[2-5]、细胞骨架细丝和分子马达的混合物[6-9];见图1。尽管它们的组成和长度尺度不同，但这些不同的系统显示出平衡系统所没有的共同特征，包括集体运动、非平衡有序转变、异常波动和力学性质，这些都是常规平衡物理无法解释的。在过去的十年中，活性物质有趣的物理特性在应用数学、生物物理学、发育生物学、材料科学和机械/化学工程等不同学科中引起了相当大的兴奋。

图1:活性物质系统示例:(a)细菌(枯草芽孢杆菌)群[1];(b)自驱动双金属颗粒[3];(c)细菌“湍流”(枯草芽孢杆菌)的流场[14];(d)具有运动偏斜缺陷的微管(MT)-电机悬架的活性液晶相[9]。

自组装

为了通过自下而上的方法理解活性物质中复杂动力学的多尺度性质，我们首先研究了微观尺度的粒子运动。在这里，我们关注Sanchez等人报道的活性物质系统[9]，其中复杂的动力学是由由微管(MT)和分子马达组成的浓缩悬浮液驱动的。在微观层面上，可以通过离散粒子模拟来捕获其中的局部动力学行为，而不需要纳入远程流体动力学相互作用(例如布朗动力学和蒙特卡罗方法[15])。图2显示了极性MT浸入式悬架的示例。我们考虑相邻的MT由正端定向交联电机耦合，该电机由每个MT上的一个电机头组成，由一根缆绳连接，该缆绳作为弹簧响应拉伸(图2a)。每个交联端点上的电机以线性力-速度关系运动(图2b)[16]。对于向列排列的悬架，有两种基本的MT对相互作用。对于极性反对齐mt(图2c)，主动交联两端的电机向相反方向移动，拉伸系绳。这在每个MT上产生了作用力，这些力与流体阻力作用，使MT相对于彼此滑动到它们的负端。这个过程被称为“极性排序”[17]。相反，对于极性对齐的mt，交联两端的电机向同一方向移动，很少或没有净滑动，并且牵引先导电机的系绳会导致拉伸的系绳放松(图2)。 For the long-time behavior, Fig. 2e shows a nematic state of MTs interacting only through thermal fluctuations and steric interactions (without motors); Fig. 2f suggests that the system now exhibits active MT flows driven by polarity sorting, leading to the formation of polar lanes (domains of MTs with similar polarity). These polar lanes are highly dynamic and show large fluctuations.

图2 (a)一组极性排列和反排列的mt簇示意图，正端用红色环标记。马达在相邻的mt上行走，(b)以分段线性力-速度关系施加类似弹簧的力。(c)一个反对准MT对。(d)一个极对准的MT对。灰色箭头表示拉伸应力的大小。(e)没有交联的体系，说明二维向列状态。(f)具有可移动交联的主动体系表现出活跃的流动和极性通道的形成[15]。

材料不稳定

为了分析大尺度集体动力学，我们基于颗粒模拟中测量到的颗粒应力，通过系统粗粒化构建连续体模型(如Doi-Onsager理论和宏观液晶模型)[15]。如图3所示，我们分析了模拟中观察到的相干结构，并确定了复杂的集体动力学实际上是通过水动力不稳定性的串联发展而来的，因为系统从最初的各向同性状态演变而来，其中棒状颗粒随机定向。对于像MT/马达组件这样的集中主动悬架，当粒子密集排列时，由于增强的空间相互作用，系统可以自发地向向列态发展。在各向同性向列向转变后，弯曲不稳定性从向列向状态发展为垂直于取向方向的诱导射流状主动流动，如图3a所示，并最终导致以运动偏斜缺陷和混沌流动为特征的活动液晶相(图3b和图3c)。

图3:(a)最初沿水平方向排列的棒状颗粒的MT/马达浓缩悬浮液的向列场线弯曲。插图:流体速度矢量场(蓝色)和特征模态(红线)。相邻弯道之间的分离距离表征了向列结构的长度尺度。(b)后期缺陷的成因。(c)以运动偏斜缺陷和初期裂缝形成为特征的大规模主动向列流。在(a-c)中，向量场表示向列方向;背景色图表示标量顺序参数[15]。

约束控制

为了有效地控制各种内部驱动系统的集体动力学，关键是要操纵涌现的相干结构。一种方法是调整悬浮液的浓度和化学燃料的数量。或者，我们可以利用粒子的相互作用，无论是单独的还是集体的，与障碍物和几何边界，更直接地操纵系统。通过在直线和弯曲边界内捕获主动悬架，已经构建了稳定的流动模式，如单向环流、行波、密度激波和旋转涡[18-26](也见图4a-c)。更有趣的是，在表面张力的软约束下，主动向列线能够产生内部流动来打破对称性并驱动全身运动，这在图4d中突出显示了运动液滴的连续模拟快照，其运动是由主动向列流的内部集体动力学驱动的[27-30]。

图4:圆形圆盘(a)、环形(b)和双凹腔(c)中运动赤纬缺陷的快照[26]。(d)由活动粒子集体动力学驱动的运动液滴的顺序模拟快照。上图:水滴内部粒子排列的演变。下:力生成[27]。

结论

迄今为止，人们已经在不同尺度上研究了这些活性物质体系的各个方面，从纤维束的动力学和力学性能到活性悬浮液的宏观行为和稳定性。从建模的角度来看，一个最大的挑战是如何构建粗粒度模型，使其与各种不同的主动系统(如自游或主动粒子的旋转)的一些独特的微尺度动力学具有精确的联系。正如上面主动向列图的例子所示，与一些相当普遍的自上而下的模型相比，自下而上的多尺度方法更受欢迎，在这些模型中，现象学模型经常被毫无理由地使用。此外，构建粗粒度模型可能会假定系统中时间尺度和长度尺度的分离，这需要通过与实验观测进行比较来仔细检查，或者通过直接粒子模拟来适当地解决短期和长期相互作用。一般来说，需要开发混合算法，结合计算流体动力学技术和随机方法来执行大规模模拟，以及粗粒度建模，以揭示如何分层设计，分析和控制新型活性材料。

参考

[1]张海燕，张海燕。细菌菌落的集体运动和密度波动。Proc。国家的。学会科学。科学通报，21(3):626 - 630,2010。

[2]张晓明，张晓明，张晓明，张晓明。催化纳米马达:条纹纳米棒的自主运动。j。化学。Soc。中文信息学报，26(6):13424-13431,2004。

[3]张建军，张建军，张建军，等。经历波动驱动翻转的自航杆的分散。理论物理。启。[j] .中文信息学报，2013。

[4]刘建军，刘建军，刘建军。光激活胶体冲浪者的活晶体。科学通报，2013,39(3):936 - 940。

[5]刘建军，刘建军，刘建军，等。运动胶体群体中宏观定向运动的出现。自然科学学报，2013,33(3):95 - 98。

[6]李建军，李建军，李建军。微管和马达的自组织。自然科学学报，2009,29(3):393 - 398。

[7]李建军，李建军，李建军。决定马达和微管自组织的物理性质。科学通报，29(2):1167 - 1171,2001。

[8]刘建军，刘建军，刘建军，等。驱动花丝的极性图案。自然科学进展，2010。

[9]陈志强，陈志强，陈志强。自发运动:按等级组合的活性物质的自发运动自然科学学报，2012,41(1):431 - 434。

[10]李建军，李建军，李建军，等。光激活自推进胶体。菲尔。反式。r . Soc。[j] .农业工程学报，2014。

[11]张丽娟，董丽娟。人工细菌鞭毛:制备与磁控。达成。理论物理。列托人。[j] .中文信息学报，94:064107,2009。

[12]邱峰，张丽娟，张晓明，张晓明。由生物相容性磷和铁涂层制备的无细胞毒性人工细菌鞭毛。j .板牙。化学。生物工程学报，2013(2):357 - 362。

[13]李建军，李建军，李建军。纤毛接触相互作用主导游泳真核生物的表面散射。Proc。国家的。学会科学。中文信息学报，2011:1187 - 1192。

[14]李建军，李建军，李建军，等。细菌湍流的流体动力学。理论物理。启。， 110:228102, 2013。

[15]刘建军，刘建军，刘建军，等。微管和马达蛋白组装的多尺度极性理论。理论物理。启。中文信息学报，114:048101,2015。

[16]刘建军，刘建军。用分子力钳研究单个激酶分子。自然科学学报，2004(4):184 - 189。

[17]李志强，李志强。双头肌凝蛋白在肌动蛋白丝束中的极性分选。期刊。Soc。日本，65:2404-2407,1996。

[18]李建军，李建军，李建军，等。中华生态学报，39(1):481 - 481,2012。

[19]张建军，张建军，张建军，等。毛细管流动动力学研究进展。中国生物医学工程学报，2013,31(2):391 - 391。

[20]王晓明，王晓明，王晓明，细菌悬浮液的稳定性研究，物理学报。中华生态学报，2011:362 - 362。

[21]张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军。

[22]张建军，张建军，张建军，等。管道流动中主动悬液的流动特性研究[j] .流体力学与工程学报，2011,31(2):559 - 557。

[23]张志强，张志强，密度激波在微流体中的应用，物理学报。[j] .中华医学会杂志，2016。

[24]王晓明，王晓明，王晓明，等。主动集体运动的几何控制方法，物理学报，34(3)，2017。

[25]吴昆，陈德宁，陈世杰，张玉娟，Fernández-Nieves，三维活动流体中湍流与连续流动的关系，科学进展(5):1997,2017。

[26]高涛，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军，张建军。液压与气动，2017,29(3):393 - 392。

[27]高涛，李振华，自驱动液滴的主动向列计算，物理学报。中国生物医学工程学报，2017,31(2):10802。

[28]王晓明，王晓明，王晓明。基于蚁群模型的蚁群行为研究[j] .蚁群学报，2001,23(3):557 - 557,2011。

[29]王晓东，王晓东，王晓东，等。液滴内部对称破缺机理的研究进展，环境科学进展，2014。学会科学。[美]109:12381,2012。

[30]王晓明，王晓明，王晓明，等。活性极性凝胶的研究进展。接口，12:20150161,2015。