小系统中手征活性粒子随机动力学和热力学性质的研究

Unlike classical dynamics and thermodynamics theory, stochastic dynamics and thermodynamics greatly depends on the properties in small systems. Recently, chiral active particles are frequently found in biological and chemical system, chiral active particles show different properties compared with passive Brownian particles. Therefore, stochastic dynamics and thermodynamics based on passive Brownian particles cannot well describe chiral active particles. Based on the single stochastic trajectory, we will study the dynamics(spontaneous rectified transport, ergodic property, near-extreme statistics,and collective motion)by using nonequlibrium statistical methods and Langevin .simulations. Based on stochastic dynamics, we define the thermodynamics of small system. We study the Jarzynsk equation and fluctuation relations from the trajectory level thermodynamics and efficiency at maximum power and optimal work extraction from the finite time thermodynamics. From this project, on the one hand, the theory of stochastic dynamics and thermodynamicscan be extended from passive particles to chiral active particles, from non-interacting particles to interaction particles, on the other hand, our studies can be applied to the experimental studies of active soft matter and biological cells for giving theoretical explanation and analysis.

与经典热力学不同，小系统随机动力学和热力学性质依赖于体系中粒子的属性。最近，生物和化学体系中发现普遍存在一种具有手征性的自驱动粒子，表现出与布朗粒子不同的特性，基于布朗粒子的相关规律不再适用。 为了解该问题，本项目拟选取手征活性粒子为研究对象，首先，采用朗万方程及非平衡统计理论研究体系的随机动力学性质(自发整流，各态历经性，近极值统计性，群聚效应), 再在随机动力学方程基础上，定义体系随机热力学量，从涨落角度,研究体系的轨迹热力学性质（涨落关系），从时间角度,研究有限时间热力学性质（最大输出效率和最优化功）。通过项目的开展，一方面在理论上，把基于粒子随机轨迹的动力学和热力学理论， 从从非活性粒子推广到手征活性粒子，从无相互作用粒子推广相互作用粒子，丰富非平衡统计物理理论体系；另一方面，相关的理论为介观尺度上实验研究活性物质供理论解释和分析。

小系统随机动力学和热力学性质依赖于体系中粒子的属性。在生物和化学体系中发现普遍存在一种具有手征性的自驱动粒子，表现出与布朗粒子不同的特性，基于布朗粒子的相关规律不再适用。 为了解该问题，本项目选取手征活性粒子为研究对象，首先，采用朗万方程及非平衡统计理论研究体系的随机动力学性质, 再在随机动力学方程基础上，定义体系 随机热力学量，从涨落角度,研究体系的轨迹热力学性质，从时间角度,研究有限时间热力学性质。本项目的研究结果， 把基于粒子随机轨迹的动力学和热力学理论， 从从非活性粒子推广到手征活性粒子，从无相互作用粒子推广相互作用粒子，丰富非平衡统计物理理论体系。项目资助下，共发表SCI论文28篇， 其中包括Soft matter 4篇，Physical Review E 3篇， Journal of Chemical Physics 5 篇， Journal of Statistical Mechanics 7篇， New journal of physics 1篇。