《與載入速率相關的細菌鞭毛相變和運動的多尺度問題》是依託北京科技大學，由王曉玲擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：與載入速率相關的細菌鞭毛相變和運動的多尺度問題
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：王曉玲
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鞭毛作為細菌運動的推進器，在細菌運動中起重要作用。實驗發現細菌鞭毛在粘性流體作用下會發生馬氏體相變, 目前正在對其進行研究。我們以實驗分析為基礎，建立相變模型描述鞭毛相變過程並進行穩定性分析；在非局部和非凸連續介質力學基礎上用有限元法對實驗現象進行模擬，描述其相變典型特徵（形核、長大和兩相共存）。進一步實驗發現鞭毛相變和運動跟粘性流體流速密切相關，其科學問題為鞭毛相變和運動的多尺度問題，課題將就此展開研究。這裡的多尺度涉及空間多尺度和時間多尺度，兩個時間尺度：一、載入特徵時間尺度（載入率）；二、鞭毛與粘性液體間運動產生的粘性時間尺度。這兩個時間尺度除與鞭毛幾何尺度有相互作用外，兩個時間尺度的相互競爭還會引起一個新的空間湧現尺度（相變帶之間的間距）。內容包括多尺度效應下：相變載荷條件和其運動規律，相變過程中形核微結構、應力滯後和能量耗散。通過以上工作，預測鞭毛在不同粘性流體中相變和運動規律。
結題摘要
鞭毛作為細菌運動的推進器，在細菌運動中起重要作用。實驗發現細菌鞭毛在粘性流體作用下會發生馬氏體相變, 而且其力學相變的過程跟載入速率有關。鞭毛的力學相變過程與組成鞭毛的鞭毛蛋白的重構有關。我們以實驗分析為基礎，建立了二維相變模型描述鞭毛細絲力學相變過程並進行穩定性分析；在非局部和非凸連續介質力學基礎上運用有限元法對實驗現象進行模擬，描述其相變典型特徵（形核、長大和兩相共存），研究在不同載入速率影響下鞭毛的相變特點；還分析了鞭毛馬達在不同離子載荷下的工作效率。進一步，我們把研究對象由單個細菌細胞擴展的多個細菌細胞，對由多個細菌細胞形成的生物膜的動力學生長過程和力學特性進行了系統的實驗、數值和模擬分析。具體開展了以下方面的工作： 1. 根據細菌鞭毛細絲的相變特點，建立以扭轉率和曲率為序參量的朗道相變模型，該模型考慮非凸彈性能用來描述鞭毛相變引起的失穩；非局部梯度能描述兩相之間的界面能；粘彈性耗散能描述非平衡條件下材料的鬆弛過程，即相變動力學。運用有限元方法對模型進行數值模擬來描述鞭毛的相變過程。 2. 在以上模型和模擬算法的基礎上，對細菌鞭毛相變進行穩定性分析，得到相變發生的載荷條件；以及載入速率對鞭毛相變的影響。在載入速率非常慢的情況下，即載入時間遠遠大於材料的特徵時間參數，鞭毛會發生相變；當載入速率非常快時，即載入時間遠遠小於材料特徵參數，鞭毛不發生相變，只發生彈性變形。同時得到了不同載入速率下力和應變的定量關係。 3. 鞭毛馬達是由於細胞壁內外的離子濃度差來驅動的，我們分析了不同的離子濃度對馬達效率的影響，以及馬達的結構，及定子和轉子在不同的離子濃度驅動力下的結構和工作特點。 4. 我們建立了用於觀測細菌生物膜的實驗平台，用來觀測細菌在形成生物膜的過程中細胞的分化，細菌生物膜的表面形貌，以及力和其他生長環境對細菌生物膜的表面形貌以及力學特性的影響。
