Wrinkling dynamics of fluctuating vesicles in time-dependent viscous flow.
Wrinkling dynamics of fluctuating vesicles in time-dependent viscous flow.
复制标题
时间依赖性粘性流中波动囊泡的起皱动力学。
DOI：
10.1039/c6sm00499g
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发表时间：
2016
期刊：
影响因子：
3.4
通讯作者：
Li,Shuwang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Liu,Kai;Hamilton,Caleb;Allard,Jun;Lowengrub,John;Li,Shuwang
我们研究了有限温度下二维囊泡在含时不可压缩粘性流中的完全非线性、非局部动力学。我们专注于一个瞬态的不稳定性，可以观察到当应用的流动方向突然逆转，这会导致压缩力的囊泡界面，和小规模的界面扰动称为皱纹的发展。这些皱纹是由膜上的负弹性张力区域驱动的。使用随机浸入边界方法与生物医学动机的热波动的选择，我们调查的生物动力学数值。与确定性微扰动力学不同的是，热涨落通过激发高阶模而导致微扰破裂。这导致更快速和更真实的动态调整。我们的结果与Kantsler等人的实验数据非常一致[Kantsler等人，物理修订信函，2007，99，17802]。我们比较的非线性模拟结果与微扰理论，修改到占热波动。所施加的流的强度强烈地影响表征皱纹的最不稳定波长，并且微扰理论和完全非线性模拟的结果之间存在显著差异，这表明微扰理论错过了重要的非线性相互作用。引人注目的是，我们发现，热涨落实际上有能力通过激发比确定性情况下更广泛的模式来衰减特征波长的可变性，这使得演化不那么受约束，并且使得最不稳定的波长更容易出现。我们进一步发现，热噪声有助于防止旋转的囊泡，如果它是不对准的方向所施加的拉伸流。
We study the fully nonlinear, nonlocal dynamics of two-dimensional vesicles in a time-dependent, incompressible viscous flow at finite temperature. We focus on a transient instability that can be observed when the direction of applied flow is suddenly reversed, which induces compressive forces on the vesicle interface, and small-scale interface perturbations known as wrinkles develop. These wrinkles are driven by regions of negative elastic tension on the membrane. Using a stochastic immersed boundary method with a biophysically motivated choice of thermal fluctuations, we investigate the wrinkling dynamics numerically. Different from deterministic wrinkling dynamics, thermal fluctuations lead to symmetry-breaking wrinkling patterns by exciting higher order modes. This leads to more rapid and more realistic wrinkling dynamics. Our results are in excellent agreement with the experimental data by Kantsler et al. [Kantsler et al., Phys. Rev. Lett., 2007, 99, 17802]. We compare the nonlinear simulation results with perturbation theory, modified to account for thermal fluctuations. The strength of the applied flow strongly influences the most unstable wavelength characterizing the wrinkles, and there are significant differences between the results from perturbation theory and the fully nonlinear simulations, which suggests that the perturbation theory misses important nonlinear interactions. Strikingly, we find that thermal fluctuations actually have the ability to attenuate variability of the characteristic wavelength of wrinkling by exciting a wider range of modes than the deterministic case, which makes the evolution less constrained and enables the most unstable wavelength to emerge more readily. We further find that thermal noise helps prevent the vesicle from rotating if it is misaligned with the direction of the applied extensional flow.
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DOI：
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