自驅(qū)動(dòng)人工馬達(dá)的趨化動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、生物分子馬達(dá)在生物體內(nèi)可利用ATP的水解釋放的能量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)。鑒于這些生物馬達(dá)的重要功能,科學(xué)工作者致力于實(shí)驗(yàn)上合成、制備能夠執(zhí)行特殊任務(wù)的人工微納米馬達(dá)。近幾年來(lái)，制備的各種形狀的馬達(dá)能夠從環(huán)境中汲取能量，產(chǎn)生所需的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。納米馬達(dá)對(duì)所處環(huán)境的“營(yíng)養(yǎng)物”梯度的趨化現(xiàn)象，是對(duì)納米馬達(dá)運(yùn)動(dòng)控制研究的一個(gè)有科學(xué)意義和潛在應(yīng)用前景的研究課題。對(duì)馬達(dá)趨化性質(zhì)的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)室合成和計(jì)算機(jī)模擬兩種途徑。計(jì)算機(jī)模擬具有不受

2、高要求的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)條件的限制的優(yōu)勢(shì)，是一種既節(jié)約成本又高效的研究方法。更重要的是，它能探索試驗(yàn)中難以觀測(cè)的物理量，更方便的計(jì)算各物理量之間的關(guān)聯(lián)，從而得出一般的理論規(guī)律。多粒子碰撞動(dòng)力學(xué)(MPC)是一種介觀模擬方法，將它用于馬達(dá)的數(shù)值模擬能夠幫助我們更好的研究馬達(dá)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。MPC方法將溶液看作是大量的粒子組成，對(duì)這些粒子進(jìn)行粗粒化簡(jiǎn)化。相較與其它介觀模擬方法， MPC適用于如下一些情況：熱漲落和流體動(dòng)力學(xué)有重要影響的情況；雷諾數(shù)和

3、Peclet數(shù)在0.1-10量級(jí)的體系；對(duì)輸運(yùn)系數(shù)具有嚴(yán)格的解析解情況；當(dāng)其中構(gòu)成關(guān)聯(lián)不清楚的復(fù)雜體系。由此我們采用MPC方法來(lái)構(gòu)建模型研究馬達(dá)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。
　　本研究使用多粒子碰撞動(dòng)力學(xué)方法建立了介觀模擬模型，對(duì)由催化球和非催化球構(gòu)成的二聚物分子馬達(dá)在一個(gè)具有梯度的燃料溶液中的趨化性質(zhì)展開(kāi)了研究。首先對(duì)趨化過(guò)程中馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)路徑、趨化特征進(jìn)行了描述，對(duì)運(yùn)動(dòng)方式和翻轉(zhuǎn)情況進(jìn)行了研究，給出了趨化機(jī)理；然后對(duì)影響趨化速度的物理因素進(jìn)行了討