《活性軟物質體系複雜動力學行為的多尺度理論研究》是依託中國科學技術大學，由江慧軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：活性軟物質體系複雜動力學行為的多尺度理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：江慧軍
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
活性軟物質體系複雜動力學的研究是多學科交叉的挑戰性前沿課題。體系從微觀、介觀到巨觀各個尺度上動力學過程的競爭，形成了豐富的群體動力學行為和非平衡結構。由於微觀動力學模擬只能研究較小尺度的體系，而巨觀唯象方程缺乏對微觀機制的認識，本項目擬採用多尺度理論研究的方式對活性軟物質體系的複雜動力學行為進行深入探索。主要內容包括：由統計力學基本原理出發，建立包含微觀性質的群體動力學模型，發展多粒子碰撞、前向流採樣等非平衡統計方法；從多個尺度動力學過程相結合的角度，揭示活性軟物質體系的動態自組裝機制與非平衡成核機理。本項目的研究，有望在探索動態自組裝與非平衡成核的本質與規律，建立活性軟物質微觀性質與巨觀結構之間的聯繫，發展相應的可控方法，推動多尺度理論計算方法發展等方面取得重要進展。
結題摘要
本項目主要致力於多尺度理論方法的發展及其在活性軟物質體系的複雜動力學行為中的套用。項目執行期間，我們在活性纖絲、活性細胞等體系的多尺度建模及其群體動力學行為研究，自最佳化非平衡路徑採樣新方法發展及套用等方面取得若干重要進展，共發表基金標註SCI論文15篇。 1. 建立了活性纖絲體系的多尺度動力學模型 建立了一個綜合考慮長程流體力學作用、非平衡驅動、分子柔性、以及環境漲落的多尺度理論模型，研究細胞中生物纖維分子的動力學行為，發現纖絲既可經過自發對稱性破缺形成穩定的旋轉運動，也可通過長程流體作用形成穩定的耦合旋轉（Soft Matter 2014）。為認識實驗中群體旋轉的起源提供了重要的物理圖像。 2. 流體環境中活性細胞運動的群體動力學手性 結合格子波爾茲曼方法與郎之萬動力學模擬，發現活性細胞可通過流體環境的長程作用，自發產生從無手性態到群體動力學手性的轉變。此外，體系還可產生動力學手性震盪、旋轉結晶態、結晶態等豐富的群體動力學自組裝行為。我們的研究對理解和認識流體力學相互作用在動力學手性形成過程中的作用提供了幫助（Soft Matter 2017）。 3. 發展了自最佳化非平衡路徑採樣新方法 發展了一種通過局域動力學信息自適應確定界面的自最佳化路徑採樣方法，可以在不損失計算精度的情況下大大提高採樣效率，並自動搜尋出轉變路徑中可能存在的中間亞穩態。揭示了蛋白分子Protein L在外力下解摺疊動力學的雙路徑機理，解釋了解摺疊速率隨拉力非單調變化的現象（PCCP 2014）。 4. 針尖增強二氧化碳還原反應的理論計算與機理 建立了一種涵蓋吸脫附、表面擴散、二氧化碳相關還原反應及局域場致物質輸運的統計力學模型，由體系的自由能泛函出發推導出體系時空動力學演化滿足的動力學方程，該模型很好的還原了實驗現象並發現針尖增強的二氧化碳還原反應強烈依賴於場致輸運及表面吸附等動力學因素，為進一步提高體系的催化速率和效率提供了新的方向（Angew. Chem. Int. Ed. 2017）。
