基于活性网络模型的细胞组织模拟（英文）

在过去的十年中,由于细胞生物学的进步,将细胞组织作为活性物质的理论研究已经成为软物质物理学的一个新领域。本文综述了近年来基于细胞组织活性网络（AN）模型的理论进展。在介观尺度上,细胞组织的非平衡动力学主要由细胞的自我推进和其他非推进活动驱动,如主动收缩力或细胞张力/体积振荡。自推进细胞的AN模型可以再现体内细胞组织的复杂动力学,如活性/黏附驱动的固液转变、集群和活性湍流。结合细胞张力波动的AN模型还可以模拟果蝇胚胎细胞中的体积振荡波,并预测张力波动驱动的细胞组织固液转变。利用AN模型研究细胞组织的结构相变和密度涨落,加深了我们对这一独特的非平衡软物质系统的认识。     

一些典型的软物质物理中的非平衡自组织现象

在软物质物理中经常有自组织(self-organization)现象发生.这一现象通常在非平衡的过程中产生,并生成非常美丽和有趣的图案与结构.具体例子包括胶体颗粒的扩散限制凝聚(diffusion limited aggregation,DLA),Hele-Shaw盒中产生的流体分形结构,凝胶的形成(gelation),生物体自组织聚集,以及颗粒类物质(granular material)运动产生的规则图案等.这些现象在软物质物理研究中产生了很多重要结果.文章以比较浅显的文字介绍这些软物质物理中的非平衡自组织现象.     

封面故事

在软物质物理中,有很多非平衡自组织现象：许多单独的个体在某些外界条件下会自发形成有趣的结构和图案．一些很常见的类似例子也发生在生物界中,比如鱼群和鸟群等群落的现象．有趣的是,在微尺度生物如细菌中,     

活力物质的非平衡结构和动力学

活力物质是一类典型的非平衡态体系,已成为软凝聚态物理新近发展的一个重要研究方向.活力物质由微驱动粒子组成,驱动力独立地施加在体系中的每个粒子上.文章概述了作者平时研究中所关注的一些活力物质系统中出现的十分有意义的现象,着重介绍了活力物质系统的构成,以及活力物质的气液态、铁磁态、向列相态和凝胶状态中涌现出的非平衡结构及其特殊的动力学行为.     

活性-非活性二元混合体系玻璃化转变的模耦合理论（英文）

近年来,活性粒子系统的集体行为引起了人们的广泛关注.本文针对活性-非活性(Active-passive, AP)布朗粒子二元混合系统的玻璃化转变行为提出了一个模耦合理论框架,理论从一个有效的Smoluchowski方程出发,它描述了在位置相空间中概率分布函数的演化.之后假设体系存在一个非平衡稳态,就可以得到一个描述中间自散射函数的随时间弛豫的积分微分方程.在此方程中有一个记忆函数,它在模耦合近似下又可以写成中间自散射函数的乘积的线性组合,于是构成了一个封闭的方程组.活性粒子的作用体现在方程中的一个有效扩散系数,它可以通过较短时间的计算机数值模拟求出.通过计算中间自散射函数的长时极限,即Debye-Waller(DW)因子,可以判断体系所处的相态,并进一步得出玻璃化转变的临界体积分数η_C.同之前的模拟结果一致.另外发现对粒子大小相同的AP混合系统,临界体积分数η_C随着活性粒子组分的粒子数占比x_A的增大而增大;而对于粒子大小不同的AP混合系统,发现了一个有趣的非单调行为,即临界体积分数η_C不再随活性粒子占比x_A单调增加.但是,如果活性足够大,这样的非单调行为便会消失.总之,本文的理论框架提供了一个研究活性-非活性混合系统的玻璃化转变行为的有效途径.     

速度外场驱动下活性粒子流瓶颈堵塞的“欲速则不达”现象

增加个体速度或个体间挤压强度,个体通过瓶颈的流量反而明显降低,这就是著名的“欲速则不达”现象。本文利用分子动力学模拟研究了在不同速度场驱动下,自驱动力对活性粒子瓶颈堵塞特性的影响。随着粒子自驱动力的增加,活性粒子的整体流量反而减少。基于粒子的阻塞概率与互补累积分布函数的拟合幂律指数,解释了尽管自驱动力可有效增强粒子的运动能力,但同时也引起堵塞事件的增加,最终造成整体流量下降。活性粒子瓶颈流作为典型的复杂系统,可帮助学生理解个体最优化并不一定会使整体效率最优的物理思想,并且其对数据处理统计分析水平要求较高,这对本科生学术能力的训练和科学素养的培养很有帮助。     

自驱动的Janus微球在具有不同障碍物的表面上的运动行为研究

自驱动粒子在靠近边界尤其是平面上障碍物的边界时,会展现出奇特的运动行为.本文通过实验研究了固定于平面上的微米级障碍物的几何效应(包括大小和形状)对双氧水驱动的Janus微球运动行为的影响.实验结果表明,当障碍物尺寸超过临界值后,自驱动的Janus微球会被其"捕获"并沿着其边界定向运动.自驱动粒子在障碍物边界的停留时间及运动速率随着双氧水浓度的增加而增大,且其在圆柱形障碍物边界和球形障碍物边界的停留时间及运动速率均随着障碍物直径的增加而增大.但在相同的双氧水浓度和障碍物直径条件下,自驱动粒子在圆柱边界上的停留时间比其在球形障碍物边界上长;在圆柱边界上的运动速率比在球形障碍物边界上小,揭示了自驱动粒子在障碍物边界上的运动行为与障碍物的几何特性密切相关.本研究有助于进一步理解自驱动粒子在不同大小及形状的障碍物中的运动特征,掌握并利用这些特征在诸如设计特殊几何形状来引导自驱动粒子的运动等领域有很好的应用价值.     

自扩散泳微观转动马达的介观模拟

转动的微尺度马达是一类重要的微流器件.近年来,因为其重要的应用及理论价值引起了学术界的广泛关注.本文提出了一种新型的自扩散泳驱动的微观转动马达模型.通过介观动力学模拟,验证了该模型的有效性.模拟结果表明,该自扩散泳微观转动马达可以单向地自驱动转动,并且转动速度和马达表面发生的催化化学反应速率(即自产生的浓度梯度场强弱)、以及液体分子与马达之间的相互作用有关.此外,研究了两个转动马达共存时的运动行为,重点考察了马达之间的流体力学相互作用和浓度梯度场效应对马达转动的影响.该自扩散泳微观转动马达为设计实用的微流器件提供了新的思路和参考,也为研究活性胶体系统的集体行为提供了理想模型.     

Z箍缩X射线在金属表面产生电荷分离现象

以"阳"加速器(1 MA,80 ns)驱动的Z箍缩等离子体为X射线源研究X射线加载下金属表面出现的电荷分离现象,Z箍缩负载为16根直径5μm的钨丝组成的丝阵,丝阵半径3 mm。强度107W/cm2、半高宽30 ns的软X射线脉冲通过直径5 mm的限光孔辐照半径30 mm、厚3 mm的铜盘中心,在金属表面产生了脉宽相近,幅值kV的电势。测量了该电势沿金属表面的分布,观测到微弱的调制现象。电势的极性表明电子主要沿金属表面运动而不是垂直表面运动,这表明热电效应是造成电荷分离的主要机制。入射X射线强度较弱时,电子的个体行为——光电效应、康普顿效应占主导;当入射强度较大时,弱关联的集体行为——热效应占主导;进一步增大入射X射线强度将出现强关联的集体行为——电荷密度调制状态。     

原子核和强相互作用物质的相变

简要介绍原子核的单粒子运动相与集体运动相, 讨论并介绍集体运动中的振动、轴对称定轴转动和不定轴转动的相结构以及由核子数和角动量驱动的这些相之间的相变的研究现状,同时还简单介绍关于原子核的液气相变和强相互作用物质的退禁闭及手征相变的研究现状.     

纳米尺度上的表面电子动力学

 揭示物质结构、物质间相互作用及其运动规律是物理学永恒的主题。经过百多年来的努力,人们已明确了常见物质的基本结构：普通物质是由分子、离子、原子等组成。而作为基本单元的原子又是由电子和原子核两部分结合而成;欲了解物质结构和运动规律就不得不深入地认识原子核周围的电子分布和电子运动形式。原子的运动在相当程度上也是由它们的电子结构和运动规律所决定和驱动的。所以,电子动力学的研究对于理解基本物质组成和动力学规律、探索新奇的物理现象、发展新材料有着举足轻重的影响。     

随机外磁场作用下Ising自旋体系的随机共振

通过采用数字仿真手段，研究了经平均场处理的Ising自旋体系在弱确定性周期外场和随机外场（噪声场）混合驱动下的动态响应行为.着重考察了不同强度混合驱动外场作用下，Is ing自旋体系的非平衡动态转变所表现出区别于单纯确定性周期场作用下的新特征——随机 共振.选定体系非平衡动态转变的动态序参量Q为表征参量，系统模拟计算了混合驱动外场在多种参数组合下体系的动态响应特征，高场低温下的非连续动态转变和低场高温下的连续动态转变.模拟计算表明在适当混合驱动外场的作用下，Ising自旋体系具有随机共振现象，并诱发形成非 关键词： Ising自旋体系 随机共振 动态相变 对称性     

自组织结构的控制:从平衡过程到非平衡过程

自组织是自然界广泛存在的一种自发从无序到有序的转变过程.从晶体的生长到生物功能结构的形成,自组织过程的影响和作用无处不在.生物功能结构通常是具有多尺度特征的复合结构.其中纳米结构的形貌及其空间排列方式对生物功能的实现起着关键作用.功能结构有两大类:平衡结构和非平衡结构.本文总结了功能结构和人工仿生结构的最新进展.研究发现,虽然物理科学和材料科学在有关静态平衡功能结构的研究上取得了令人激动的进展,但在如何实现具有响应和适应性的动态非平衡功能结构上,仍然面临着挑战.本文认为,远离平衡态的活性体系在周期性驱动力的反复激发和训练下,有可能演化出非平衡的动态结构.这为实现具有自适应和自修复功能的非平衡结构提供了一种可能途径.     

自驱动杆状粒子在半柔性弹性环中的集体行为

在生物体系的活性系统中,杆状粒子在弹性半柔性边界中的受限行为极为常见.本文研究了二维情况下,自驱动杆状粒子受限在半柔性弹性环中的集体行为.改变系统的粒子数及噪声强度,系统显示明显的自驱吸附有序态、无序态及中间的过渡态.通过表征弹性环内部粒子的径向极性大小和空间分布的非球度性对这些状态进行了刻画.进一步对弹性环中心附近粒子密度的分析,发现环中心气态粒子分布存在一个与边界高密度区域共存的饱和平台,出现类似吸附转变的粒子分布.在过渡区间,体系内存在较大的涨落会导致弹性环出现异常形变.非对称的粒子分布对弹性环整体的迁移具有重要贡献,系统在过渡区间能获得相对较强的定向迁移.     

活性Janus粒子体系中的定向运动涌现行为

本文使用过阻尼郎之万方程动力学模拟方法模拟了二维体系中活性Janus粒子的群体动力学行为. 体系随着粒子密度的增加,存在一个活性粒子的定向运动涌现行为. 此现象在无各向异性相互作用或者无活性驱动的体系中无法观察到. 另外涌现行为发生的临界转变密度会随着活性大小和各向异性相互作用强度的增大而减小,且通过调节活性大小和各向异性相互作用强度大小可以控制体系不同状态的转变. 最后借助动力学理论分析,重复出了模拟结果的基本特征. 结果论证了单个粒子层次上的各向异性相互作用足以导致活性体系进入稳定的群体定向运动.     

不同粒径Janus微球的自驱动:实验及驱动机制对比

Janus颗粒是两侧具有不同性质的非均质颗粒的统称.利用Pt-SiO2型Janus微球的Pt一侧催化分解H_2O_2溶液,可以使得颗粒自驱运动.本文首先从实验角度对比了不同粒径、相同浓度下的两类自驱动现象,结果表明在d～O(1μm)时为扩散泳驱动,d～O(10μm)为气泡驱动,二者在运动轨迹、驱动速度上存在很大差异.随后,分析了主导的力学因素,并根据简化后的受力平衡关系建立了多场耦合的数值模型,重点研究了大粒径下浓度及速度场的分布,据此解释了气泡产生的位置及尺寸,并推断壁面滑移系数是数值模型中的关键匹配参数,及其在不同粒径下变化的可能机理.这一研究将为深入理解自驱动的机理及提高自驱动器件的驱动能力提供理论基础.     

含时驱动的Dicke模型的混沌特性

依据Dicke量子相变首次被观测的实验装置,我们通过调节抽运激光强度来实现原子-场集体耦合强度的单频非绝热调制,即实现含时驱动的Dicke模型.当驱动的耦合强度为零时,系统回退到标准的Dicke模型.从刻画的庞加莱截面图观测到:在临近相变点附近系统由经典规则轨道向混沌变化,超辐射区对应着相空间的完全混沌;当静态耦合和驱动耦合同时存在时,系统显示出丰富的混沌运动.通过调节振荡频率,系统可在正常相区间从经典规则轨道变到混沌再变到经典规则轨道.     

软物质的自组织

软物质的基本特征使得软物质在各种互作用竞争 ,外力和熵驱动下显示出丰富的自组织现象。本文系统地评述了典型软物质系统各种丰富的自组织现象 ,试图从丰富的自组织现象中寻找共同规律和竞争机理 ,来揭示和探索自组装 /自组织有序微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律 ,并讨论如何来控制和设计自组装 /自组织有序结构。这对新材料的制备、新结构的实现具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

空间环境颗粒物质运动行为的研究

颗粒体系是一种动力学特性未被很好理解的新类型凝聚态物质。对微重力环境下颗粒物质运动行为的研究不论在基础物理或太空探测中都具有重大意义。文章回顾了过去10年来国内外在无重力环境中以振动作为驱动源的颗粒物质运动空间实验研究所取得的进展,并展望了颗粒物质运动的物理规律的研究前景。     

颗粒物质(上)

颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一．大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律．颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律．由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域．文章综述了颗粒物质的一些主要特性，如颗粒物质的静态性质、振动行为、流动特性等，其中也包括文章作者的一些新近研究结果．限于篇幅，文章分为上、下两部分发表．第一部分在对颗粒物质作一般介绍后讨论颗粒物质的静态特性，第二部分则主要讨论颗粒物质振动时的行为和流动性质．