《微驅動軟物質體系的拓撲結構和集體動力學》是依託蘇州大學，由施夏清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：微驅動軟物質體系的拓撲結構和集體動力學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：施夏清
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
軟物質系統在微驅動力作用下可導致系統遠離平衡態，出現多尺度的集體動力學效應。這類體系就是最近引起人們廣泛關注的所謂活力物質體系。本項目旨在結合相關的實驗研究，通過模擬和理論分析結合來研究該類物質中不同對稱性和動力學條件下所激發出來的拓撲缺陷結構的反常動力學行為。我們採用從模擬出發，推導相關動力學平均場方程，再通過模量展開近似到流體動力學表述並求解。我們將通過這一系列理論手段闡明不同活力物質體系中拓撲缺陷的生成機制及其集體動力學。該項目中將系統地涉及到活力物質體系的極化序，向列相，動力學及結構手性，晶態等有序結構中可能湧現的拓撲缺陷結構，分析其動力學失穩機制，通過數值計算和模擬研究這些體系中的拓撲缺陷演化動力學。這一項目的開展，不僅將促進我們對活力物質中拓撲缺陷動力學（包括激發，湮滅及輸運）的認識，同時也將更深刻地揭示活力物質體系的動力學失穩機制及相關的集體動力學行為。
結題摘要
活性物質是一類十分廣泛存在的物質狀態。它突破了人們對於物質體系能量輸入的傳統認識。在活性物質體系，個體單元可以將能量轉變為各種力學運動。這類物質體系在微觀層次進行能量輸入，突破體系能量瓶頸，從而驅動系統遠離平衡態。同時個體的運動可以通過相互作用耦合在大尺度展現出極為驚人的集體動力學行為。活性物質有序態的拓撲結構由於其特殊的拓撲性質，在體系的集體動力學中起到及其重要的作用【Shi & Ma, Nature Communs, 2013】。本項目通過理論模擬結合的手段，對活性物質體系拓撲結構的重要的物理特性進行了深入的研究。（1）對自驅動方向可逆型極化活性粒子活性物質體系的相變動力學進行了深入的研究。發現體系的有序態具有BKT拓撲序，而體系的有序無序相變則類似於連續相變，有別於二維的KT相變。進一步的研究發現，相變過程中拓撲缺陷的奇異動力學可能是導致這種相變的根源。（2）發展了一套粒子流場耦合的理論模擬方法，可以研究活性物質體系大尺度的集體動力學行為。利用這一方法成功解釋了細菌體系菌落中觀察到的大尺度橢圓軌道振盪行為。發現其中Stokes流體的不可壓縮性是體系軌道發生壓縮的原因。（3）利用相關模型定量化研究桿菌體系產生的拓撲結構動力學。並利用拓撲結構和流場的動力學量來匹配模型參數，從而可以在簡化的粒子模型中定量重現拓撲缺陷在大時空尺度的生滅和自發遷移。相關工作分別發表於PRL, Nature及PNAS. 該項目的研究表明複雜如細菌菌落可以用一套非常簡單的動力學方程精確描述。對活性物質體系的深入研究不僅對理解生命體系所展現的豐富動力學行為具有重要的作用，同時利用體系優越的非平衡性質，可以嘗試建立普適的非平衡統計理論。
