自驱动纳米棒稀溶液在非受限与受限条件下的运动行为研究

The nanopropulsion system becomes a branch of nanotechnology that promises a range of transformative applications in motion-driven sensing, targeted delivery of cargo, and micro-reactors. Self-propelled particles are indispensable for the development of new generation devices and can be used to explore some central concerns of non-equilibrium transport phenomena and statistical physics. Self-propelled rods have been employed in some promising applications, such as transport of nanoscale cargo. However, some locomotion characteristics of active rods have not been explored. In this project, the transport and collective dynamics of dilute active suspension will be studied by dissipative particle dynamics (DPD) simulations which includes both thermal fluctuations and hydrodynamics interactions (HIs). For active rods, there are two fundamental parameters, the rod length and swimming velocity. The rotational diffusion and translational diffusion (perpendicular and parallel to axis) associated with active rods will be investigated. The diffusivity of nano-swimmers is determined by the mean squared displacement (MSD) method and the velocity autocorrelation function (VACF). For the behavior of a dispersion of active nanorods, sedimentation equilibrium of nano-swimmers will be studied. The influence of the external field will be extended to the harmonic potential well for trapping nano-swimmers. The effects of wall/boundary on the behavior of active particles shall be examined as well, including the rectification effect in a container that has an array of funnel-shaped barriers and the directed motion in an asymmetric channel. The further understanding for the locomotion of active rods from this project will contribute to the design of self-propelled devices.

纳米级驱动系统今已成为纳米技术的一个重要分支并且在动态传感、货载的运输、以及微反应器等方面有广泛的应用前景。自驱动粒子在新一代设备发展中有着不可或缺的地位，并且可以通过它来探索非平衡态统计物理以及输送现象。自驱动纳米棒在实际中已经有了一些应用，如运载纳米级货物。然而，对于自驱动纳米棒的一些运动性质，尚缺乏认识。在本项目中，我们将运用耗散粒子动力学来研究自驱动纳米棒稀溶液的输送和集体运动，并且考虑热涨落效应和流体力学相互作用。在模拟中，我们将利用均方位移和速度自关联函数两种方法来测量自驱动纳米棒的旋转扩散系数和平移扩散系数；研究自驱动纳米棒的沉降平衡；考察在简谐势阱中自驱动纳米棒的运动行为；研究墙壁对自驱动纳米棒运动行为的影响，包括含有漏斗状壁垒容器的整流效应以及在非对称流道中自驱动纳米粒子的定向运动。通过此项目，人们将对自驱动纳米棒的运动有更深入的理解，这将有助于今后对自驱动装置的设计。

我们研究了两平行板间棒状自驱动粒子稀溶液中棒对板产生的压强、表面堆积、以及棒的指向。在体相棒状自驱动粒子产生的压强与自驱动力的平方成正比、与旋转扩散特征时间成正比。但是在受限条件下，即使两平行板间距很大时，压强也与体相不同。这表明与平衡态不同，由于墙对棒有力矩的作用，活性物质体系的压强不是一个状态函数。随着自驱动力的增加，可以看到自驱动粒子的墙附近的堆积。在墙附近，也发现棒的指向有明显的倾向。表面堆积和压强随着自驱动力的变化存在两个标度区域。当墙-棒相互作用减弱时，表面堆积量和压强增强。.当考虑流体力学相互作用时，由自驱动粒子导致的压强的增加分成两部分：自驱动粒子直接的贡献、和流体的间接贡献。对于球状自驱动粒子稀溶液，直接贡献与自驱动粒子的扩散系数成正比。由于表面堆积的存在，受限下的压强比体相中的压强大。而流体动力学相互作用对压强的贡献为负。因此，总贡献比直接贡献小，并随着自驱动力和持续游动时间的增加而增加。而压强对于墙-粒子相互作用的依赖，表明虽然对于球状自驱动粒子没有墙对其产生的力矩，但是流体力学相互作用的存在导致压强不是一个状态函数。而对于不同游动模式的自驱动粒子，即使自驱动力和持续游动时间相同时，它们对压强的贡献也不同。.在宽窄相间的隧道中，由于间距差异导致的熵壁垒，一般的棒状粒子倾向于待在宽区。然而对于自驱动粒子，因为它们具有持续游动能力，在宽窄区进出的对称破却导致自驱动粒子会集中在窄区。当粒子游动长度足够大、窄区间距足够小时，这一现象更加明显。将体系中自驱动粒子的浓度提高，便可在窄区观察到自驱动粒子在准二维空间的集体运动。我们测量了集团尺寸分布和标度率。我们也测量了不同尺寸的粒子集团的运动速度及集团的寿命。.我们研究了扶手椅型和锯齿形的黑磷纳米管的几何结构和电子性质对于孔径尺寸的依赖性。纳米管是通过卷曲非平面二维蜂窝黑磷单分子层来构建的。为解释P原子间的键合强度，计算了P原子间的弯曲刚度和电荷转移量。我们得到了沿两个方向卷曲的纳米管其弯曲刚度不同，表明弯曲刚度随手征的不同而变化。计算表明，内层原子与外层原子的距离随着半径的增大而单调增加，但随着内外层P原子间距增加电荷转移在减小。杨氏模量和径向泊松比对管径影响不大。锯齿形纳米管的杨氏模量和径向泊松比均高于扶手椅型纳米管的值。此外，我们发现扶手椅和锯齿形纳米管在不同半径下都具有半导体性质。