Experimental study of the conformation and dynamics of active colloidal polymers

活性胶体聚合物构象与动力学的实验研究

基本信息

  • 批准号:
    2028652
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 37.2万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-11-01 至 2024-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

An active fluid is a dispersion of self-driven particles in a liquid medium. This type of fluid is relevant to a broad class of biological and physical systems including suspensions of swimming microorganisms, synthetic colloidal swimmers and vibrated granular rods. Recent theories and simulations have greatly extended the study of simple active fluids made of compact solid particles to elongated flexible objects such as soft chains and filaments. Such research has transformed our understanding of the dynamics of flexible objects in nonequilibrium conditions (for example, biopolymers within living cells) and revealed unexpected collective dynamics of active fluids. Nevertheless, benchmark experiments that can quantitatively verify the wide range of theoretical and numerical predictions are still missing. This research project aims to address this gap and to perform experiments that study the shape and dynamics of active DNA-linked long chains of colloidal particles, the so-called colloidal polymers in analogy of linear polymer molecules. Two specific systems included in these studies are passive colloidal polymers immersed in light-powered bacterial suspensions and active Janus colloidal polymers whose activity arises internally from individual Janus particles via chemical reactions. The ultimate objective is to explore the possibility of using self-driven active colloidal polymers as artificial flagella. The project includes outreach efforts on designing demos for undergraduate fluid classes and for summer short courses attended by industrial practitioners. The project also aims to forge close collaborations between academic and industrial researchers.DNA-linked colloidal chains provide a concrete example of the classic bead-spring model of polymer molecules. By conveying activity to DNA-linked colloidal polymers, the research team will investigate the conformation and dynamics of active colloidal polymers and understand the fundamental polymer scaling relations out of equilibrium. The researchers will verify important theoretical and numerical predictions on the unusual behaviors of active polymers such as the swelling of polymer chains with activity, the self-assembly of hairpin structures, and the activity-induced softening and coil-to-globule transition. Moreover, by exploiting the collective dynamics of linked active Janus particles, the project participants will study a new approach for creating self-driven artificial flagella with periodic non-reciprocal beating motions. Such a flagellar structure would then be tested for driving the locomotion of synthetic microswimmers. Taken together, the project provides not only benchmark experiments corroborating existing theories and simulations but also a new way to engineer synthetic microswimmers for cargo delivery at microscopic scales.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
活性流体是自驱动颗粒在液体介质中的分散体。这种类型的流体与广泛的生物和物理系统有关,包括游泳微生物的悬浮液、合成胶体游泳者和振动颗粒棒。最近的理论和模拟已经大大扩展了对由紧凑固体颗粒组成的简单活性流体的研究,以细长的柔性物体,如软链和细丝。这些研究改变了我们对非平衡条件下柔性物体动力学的理解(例如,活细胞内的生物聚合物),并揭示了活性流体意想不到的集体动力学。然而,基准实验,可以定量验证的理论和数值预测的范围仍然是失踪。该研究项目旨在解决这一差距,并进行实验,研究活性DNA连接的胶体颗粒长链的形状和动力学,即所谓的胶体聚合物,类似于线性聚合物分子。这些研究中包括的两个特定系统是浸入光动力细菌悬浮液中的被动胶体聚合物和通过化学反应从单个Janus颗粒内部产生活性的主动Janus胶体聚合物。最终目的是探索利用自驱动活性胶体聚合物作为人工鞭毛的可能性。该项目包括为本科流体课程和工业从业人员参加的夏季短期课程设计演示的推广工作。 该项目还旨在促进学术界和工业界研究人员之间的密切合作。DNA连接的胶体链为聚合物分子的经典珠-弹簧模型提供了一个具体的例子。通过将活性传递到DNA连接的胶体聚合物,研究小组将研究活性胶体聚合物的构象和动力学,并了解平衡状态下的基本聚合物比例关系。研究人员将验证对活性聚合物的异常行为的重要理论和数值预测,例如具有活性的聚合物链的溶胀,发夹结构的自组装以及活性诱导的软化和线圈到球的转变。此外,通过利用链接的活性Janus粒子的集体动力学,项目参与者将研究一种新的方法来创建具有周期性非往复跳动运动的自驱动人工鞭毛。这样的鞭毛结构将被测试用于驱动合成微泳者的运动。总的来说,该项目不仅提供了证实现有理论和模拟的基准实验,而且还提供了一种新的方法来设计用于微观尺度货物运输的合成微型游泳者。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Crack patterns of drying dense bacterial suspensions
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Ma, Xiaolei;Liu, Zhengyang;Zeng, Wei;Lin, Tianyi;Tian, Xin;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
The colloidal nature of complex fluids enhances bacterial motility
  • DOI:
    10.1038/s41586-022-04509-3
  • 发表时间:
    2022-03-31
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Kamdar, Shashank;Shin, Seunghwan;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Ghosh, Dipanjan;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Liu, Zhengyang;Zeng, Wei;Ma, Xiaolei;Cheng, Xiang
  • 通讯作者:
    Cheng, Xiang
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知道了