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无序钉扎衬底上二维活性磁化胶体的脱钉特性研究

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1 前言

2 研究背景

2.1 非平衡自组织理论

2.2 自组织理论的产生

2.3 耗散结构的特点

3 胶体

3.1 胶体的性质及分类

3.2 胶体的研究进展

4 活性胶体

4.1 活性胶体简介

4.2 活性胶体的研究进展

5 无序钉扎衬底上二维磁化胶体的脱钉特性

5.1 活性胶体的动力学模型

5.2 衬底钉扎强度对脱钉特性的影响

5.2.1 活性磁化胶体

5.2.2 非活性磁化胶体

5.3 磁化胶粒之间相互作用强度对脱钉特性的影响

5.3.1 活性磁化胶体

5.3.2 非活性磁化胶体

5.4 L-J势强度对脱钉特性的影响

6 结论

参考文献

致谢

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摘要

活性胶体与生物自组织的形成有着密切的联系，生物体自组织多在非平衡条件下形成，研究系统在非平衡状态下的动力学特性对于探究生物自组织的形成具有重要的意义。
　　长期以来，许多物理学家们认为，体系若想趋于平衡须经历自发过程，因此平衡结构是唯一可以用物理学原理解释并可以在实验上重现的有序状态，而玻尔兹曼有序原理是唯一可以支配从无序到有序的物理学原理。然而当用玻尔兹曼有序原理来解释生物有序现象时却碰到了巨大的困难。按照几率的观点，生物有序状态的形成是一种高度不可几的事件，因而无法用玻尔兹曼有序原理来解释。生物有序不仅仅在生物分子水平上，在生物体的各级水平（群体、个体、组织、细胞、分子等）上都可呈现有序现象。例如许多树叶、花朵以及各种动物的皮毛等常呈现出很漂亮的规则图案。而且，生物有序不仅表现在空间特性上，如生物分子的高度有序性，还表现在时间特性上，如生物钟。生命运动的各级水平上都存在着内在的规律性。
　　自发形成宏观有序结构的例子有很多。比如，天空中的天街，木星大气层中的涡旋结构，花岗岩中的环状结构，松花蛋中出现的漂亮的松花，细菌鞭毛的存在，贝纳德效应，相干激光束的出现和化学波等。这些现象遵循着相同的规律，体系中的粒子在宏观的空间距离上或时间间隔上呈现出一种长程的一致性、相关性，他们好像受到了某种统一的命令自己组织起来形成宏观时空上的一致性，这种形成有序结构的现象叫做自组织现象。
　　纳米级水平及介观水平粒子的自组装结构的形成是凝聚态物理中的一个热门话题，同时也是生物领域和软物质领域关注的焦点。最近，活性胶体粒子的集群动力学已经被广泛研究。活性系统是与非活性系统相对应的，许多关于自组织的研究都把研究重点放在平衡系统的自组织研究上。然而，非平衡系统的自组织研究也非常重要。非平衡自组织是通过消耗能量来达到特征有序的。如剪切胶体悬浮液的随机组织，活性涡流等。非平衡胶体悬浮液的集群运动根据能量的注入机制可以分为两类：一类是系统被电场、磁场、热力学流等外场驱动，外场对胶粒施加外力或力矩，或者直接作用在固-液、液-液表面；另一类粒子被内部的化学反应或紫外线等驱动。
　　本文采用朗之万分子动力学模拟来研究二维活性磁化胶体系统的非平衡态动力学特性。本文首先研究的是，在改变衬底强度的情况下来对比研究非活系统和活性系统的脱钉特性。活性系统也叫主动系统，一般指粒子的集合，系统中的单个粒子通过消耗能量来发生自组装运动。非活性系统也叫被动系统，是与活性系统相对的系统。我们发现：在非活性系统中，随着衬底钉扎强度的增加，临界钉扎力逐渐增大；在活性系统中，随着衬底强度的增加，临界钉扎力出现了峰值效应。
　　其次本文研究的是，在改变胶体粒子相互作用的情况下来对比研究非活系统和活性系统的脱钉特性。发现：随着胶体粒子之间相互作用强度的增加，临界钉扎力在逐渐减小。
　　最后研究的是，L-J势强度对脱钉特性的影响。发现：L-J势前面的系数Ae的取值范围为：0.08-0.58。
　　活性胶体粒子之间存在自推进的相互作用，胶体粒子通过这种自推进作用形成了有限尺寸的团簇。非平衡活性系统展现出了更加丰富的相，我们相信本文的研究会对材料科学，生物化学以及凝聚态物理中出现的各种问题提供帮助。

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