自驅多體系統中自發流的湧現及其動力學特性

《自驅多體系統中自發流的湧現及其動力學特性》是依託蘇州大學，由施夏清擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：自驅多體系統中自發流的湧現及其動力學特性
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：施夏清
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

本項目旨在從理論角度研究自驅多粒子系統中自發流對於系統非平衡動力學演化的重要意義，力圖揭示其在自驅系統大尺度動力學中的普適性和關鍵性作用。所謂自發流是指在自驅多體系統中通過粒子自驅和相互作用所激發出來的大尺度物質流動。自發流不可能存在於平衡態和近平衡態系統中，但在各種遠離平衡態的自驅多體系統中卻普遍存在，並且是生命代謝，細胞遷移，組織形成等生命活動的重要物理基礎。我們將結合一些已知的實驗系統，通過理論和模擬相結合的研究手段來全面地研究極性和非極性自驅粒子系統以及考慮介質流體作用時系統中的自發流現象，包括自發流產生的條件，其對系統相變、形貌以及動力學演化的作用。方法上，將重點發展動態蒙特卡洛模擬和動力學平均場以及穩定性分析，流場分析等技術在定量化研究自發流中的套用。在此基礎上，我們將試圖拓展自發流概念在細胞遷移動力學等生命系統中套用。

結題摘要

《自驅多體系統中自發流的湧現及其動力學特性》從2013年開始受到國家自然科學基金委青年基金項目支持以來，順利按照原計畫書安排，在關於活性物質系統的理論和模擬研究中取得了良好的進展，較為圓滿的完成了原計畫書的各項理論和模擬方面的突破，取得了重要的研究進展。 本項目主要針對自驅多體系統中發流的湧現及其動力學特性開展一系列理論和模擬 研究。 我們知道所謂自驅粒子系統，是指一類由具有自驅動能力的個體通過相互作用，信息交換等方式所構成的多粒子體系。典型的例子包括：細胞中分子馬達和蛋白微絲構成的細胞骨架系統；在更大尺度上，如驅動的顆粒物質，自由遊動的細菌所形成的菌落，海洋中的魚群，天空中的鳥群，甚至人類社會等等。這些系統中的個體，可以通過消耗能量實現個體的自驅動，並通過相互作用或者信息的交換來實現系統大尺度範圍內的自組織現象。這些自驅動系統引發出一個新的物理概念：活力物質（active matter）,並成為軟凝聚態物理和統計物理研究中一個新興的交叉研究方向。 我們的研究給出了活力向列相的相變行為和動力學失穩機制。我們發現描述活力物質向列相態的一個確定性方程具有一個新的混沌相。在該相中，系統唯一可能的穩態解，即空間均勻相會發生失穩。同時由於長波失穩，大尺度空間不均勻性得以形成並且發生永不停息的演化。向列相有序區域可以從周圍無序介質中吸收粒子，生長，分裂，進而又消散於無序相中，這種行為向我們顯示體系中極為豐富的動力學效應，同時我們的研究揭示了系統中大尺度漲落的動力學失穩起源。在關於顆粒桿狀體系中拓撲結構的動力學的研究中，我們通過模擬和理論的研究不僅揭示了拓撲結構的動力學存在強烈的不可逆動力學效應，同時拓撲缺陷在活力物質體系集體演化中起到了決定性作用。這一發現對於認識活力物質體系的巨觀非平衡動力學有重要的作用。同時，我們的研究顯示可以通過實時跟蹤和控制拓撲缺陷來調控系統的集體動力學，這對於進一步的實驗驗證和套用具有較為重要的指導意義。