课题基金 / 基金详情

曲面上活性物质的拓扑缺陷和非平衡统计性质的研究

批准号:
12075090
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
艾保全
依托单位:
学科分类:
统计物理与复杂系统
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
艾保全

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
活性物质的研究开辟了从统计物理角度来研究生命体系和复杂非平衡体系的新方向,具有重要科学意义。最近,在实验中发现活性物质在曲面上运动,表现出新奇的非平衡统计行为,基于自由空间的规律不再适用。为解决该问题,项目拟选取活性颗粒物质和活性融合性组织为研究对象,首先结合黎曼几何和自由空间的运动方程,推出曲面上活性物质的运动方程,再采用多尺度数值方法,研究活性物质在曲面上的微观拓扑缺陷,宏观非平衡结构(集体运动,相分离,玻璃化转变和结晶)和热力学状态(压强,熵和非平衡涨落关系)。项目重点研究曲面上拓扑缺陷形成机制以及曲面拓扑性质, 粒子性质,物质混合特性对非平衡统计性质的影响。开展项目,一方面,理论上解决活性物质非平衡统计规律,从自由空间到曲面约束,从微观拓扑缺陷到宏观非平衡结构,从平衡态到非平衡态过渡中的一些关键科学问题,另一方面,相关理论为实验研究活性物质提供理论解释和分析。
英文摘要
The study of active matter has opened up a new direction for the study of life systems and complex non-equilibrium systems from the perspective of statistical physics, which is of great scientific significance. Recently, it has been found that active matter can move on curved surfaces and exhibit novel non-equilibrium statistical behaviors, and the laws based on plane or free space are no longer applicable. In order to solve this problem, we select granular matter and confluent tissues as the research objects, the theoretical framework of the movement of active matter on the surface is derived by combining the Riemannian geometry and the motion equation of free space. We plan to use the multi-scale simulation method to study microscopic topological defects and macroscopic non-equilibrium structures (collective motion, phase separation, glass phase transition and crystallization) and thermodynamic states (pressure, entropy and non-equilibrium fluctuations) of active matter on curved surfaces. The project will focus on the formation mechanism of topological defects on the surface and the influence of topological properties, particle properties and mixed properties of the surface on non-equilibrium statistical properties. Through the development of the project, on the one hand, we solve some key scientific problems of the non-equilibrium statistical law of active matter in the transition, from the plane constraint or free space to the surface constraint, from the microscopic topological defects to the macroscopic collective behavior, from the equilibrium state to the non-equilibrium state. On the other hand, relevant theories provide theoretical explanations and analyses for experimental studies of active matter on curved surfaces.
活性物质的研究从统计物理的视角为生命体系和复杂非平衡体系的探索开辟了新方向,具有重要的科学价值。近年来,实验发现活性物质在曲面上的运动呈现出独特的非平衡统计行为,与自由空间中的规律显著不同。为解决这一科学问题,本项目以活性颗粒物质和活性融合性组织为研究对象,结合几何与拓扑方法,在曲面上构建了基于粒子动力学和流体动力学的运动方程。通过多尺度数值模拟技术,系统研究了曲面上活性物质的微观拓扑缺陷动力学、宏观非平衡结构及其热力学状态。具体研究内容包括:(1)研究曲面上活性物质的拓扑缺陷与集体行为,涵盖球面上极性活性粒子的集体运动、曲面上融合性细胞粒子的自组织行为,以及活性粒子的整流与操控;(2)研究活性粒子在曲面上的非平衡相行为,包括固液相变、玻璃态动力学、活性粒子自发分离和拓扑缺陷演化;(3)探讨曲面上活性粒子的热力学特性,重点关注活性聚合物的绝对负迁移率现象、可形变非互易粒子的热力学特征以及拓扑约束下可形变粒子的热力学行为。项目揭示了曲面上拓扑缺陷形成机制、曲面拓扑性质、粒子特性及物质混合特性对非平衡统计性质的影响。. 本项目聚焦活性物质在曲面环境中的拓扑缺陷形成机制及其与非平衡结构和热力学状态的关系,深入探讨了曲面拓扑性质、物质属性与混合特性对活性物质统计特性的影响,解决了活性物质从自由空间到曲面约束、从微观缺陷到宏观结构、从平衡态到非平衡态过渡中的关键科学问题,为软物质材料、生物组织及分子马达的实验研究和应用提供了理论支持。项目的研究成果在理论上为活性物质的拓扑行为、集体行为及非平衡相变提供了新的见解,具有科学意义。项目期间,研究团队共发表了29篇SCI论文,其中包括《Phys. Rev. Lett.》1篇、《Phys. Rev. E》11篇、《New J. Phys.》5篇 《Soft Matter》3篇,成果受到国内外学术界的关注与引用,为相关领域的发展做出了一定贡献。
信息传递活性粒子的动力学和热力学性质的研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    15.0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    艾保全
  • 依托单位:
融合性活性物质的集体动力学和非平衡相行为的研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    艾保全
  • 依托单位:
小系统中手征活性粒子随机动力学和热力学性质的研究
  • 批准号:
    11575064
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    艾保全
  • 依托单位:
熵垒中布朗粒子的非平衡定向输运
  • 批准号:
    11175067
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    56.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    艾保全
  • 依托单位:
国内基金
海外基金