顆粒鏈孔遷移動力學特性的系統研究

《顆粒鏈孔遷移動力學特性的系統研究》是依託北京理工大學，由鄭寧擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：顆粒鏈孔遷移動力學特性的系統研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：鄭寧
• 項目類別：面上項目

項目摘要

長鏈材料（巨觀顆粒鏈或者高分子鏈等）只能通過孔洞通道，從被該通道分離的區域A到達另一區域B的動力學過程被稱為孔遷移。長鏈孔遷移研究不僅有助於解決如生物DNA快速測序等關鍵技術，而且也會幫助澄清複雜流體輸運中的基礎科學問題。相比已經開展了理論和實驗研究的高分子鏈來說，現今巨觀顆粒鏈孔遷移的模擬和測量工作依然缺乏。因此，非常有必要系統深入研究巨觀鏈孔遷移。我們構建不同空間維度下的孔遷移實驗體系，調控顆粒鏈自身物性和驅動外力等相關參數，通過測量記錄遷移時間與遷移過程，結合理論分析與計算機模擬，揭示遷移時間、遷移率與材料參數之間的標度關係，建立普適長鏈孔遷移模型，類比分析高分子鏈孔遷移的結果，不僅可闡明巨觀鏈遷移的物理機制，更可為高分子聚合物性質的研究提供新思路。

結題摘要

顆粒鏈孔遷移的研究不僅可進一步拓展與加深對顆粒物質的認識，有利於發展顆粒物理的基礎理論；而且顆粒鏈在很多系統中已成為研究微觀分子鏈的良好實驗模型，對高分子理論起到積極的啟發與驗證作用，為高分子在孔遷移中的研究開闢新思路。本項目構建顆粒鏈二維孔遷移實驗體系，調控顆粒鏈長、鏈的數量、鏈的自驅動性以及背景環境等實驗參數，通過測量記錄遷移時間與遷移過程，探究遷移時間、遷移率與材料參數之間的標度關係，與高分子鏈孔遷移的結果進行比較，建立相關模型合理解釋實驗結果。實驗和理論結果表明，遷移時間隨鏈長存在冪律關係，冪律指數隨通道寬度增加而增加，且隨通道寬度變大，其標度指數緩慢變小，符合標度律。冪律關係以及冪律指數隨通道寬度的變化是由鏈水平動量的形式、遷移過程的摩擦效應以及進出口的熵力等共同作用所決定。將在顆粒熱浴中的顆粒鏈與分子鏈在水溶液中的遷移行為進行比較，發現顆粒鏈系統與分子鏈系統在孔遷移時間與背景分子濃度上都具有轉變特徵，具有某種相似性。項目對自驅動顆粒鏈的單體、群體以及在複雜環境中的遷移動力學也進行了詳細研究，單體遷移運動主要源自耗散對稱性破缺，而群體遷移動力學受顆粒自驅動力強度、顆粒鏈數量、通道幾何形狀以及背景噪聲決定，與布朗粒子浴相比，自驅動顆粒鏈在自驅動粒子中出現反常遷移，可能源於自驅動與顆粒鏈構型之間的耦合作用。