受限、多孔及活性等復(fù)雜環(huán)境中擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的理論研究.pdf

1、隨著生命和納米科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，介觀(guān)尺度（一般來(lái)說(shuō)，介觀(guān)尺度的范圍大約在10nm～1μm之間）中粒子動(dòng)力學(xué)的研究因其重要性受到了越來(lái)越多的關(guān)注。通常，介觀(guān)體系（如細(xì)胞，離子通道等）具有非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。從結(jié)構(gòu)上看，細(xì)胞、離子通道具有空間受限的特征，而其中存在的大量有機(jī)物質(zhì)又使得其表現(xiàn)出多孔介質(zhì)的特點(diǎn)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度上看，細(xì)胞等有機(jī)體具有將周?chē)h(huán)境能量轉(zhuǎn)換成定向驅(qū)動(dòng)力的能力。因此，這些介觀(guān)系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征可以導(dǎo)致復(fù)雜

2、多變的動(dòng)力學(xué)行為，例如粒子定向輸運(yùn)，復(fù)雜環(huán)境高分子異常擴(kuò)散和膠粒相分離等。這些問(wèn)題往往不能用簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)力學(xué)方程定量描述和理論分析，因此理論結(jié)合適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬成了研究這一類(lèi)介觀(guān)體系動(dòng)力學(xué)的重要技術(shù)方法。本文以介觀(guān)體系中經(jīng)常遇到的納米粒子和高分子作為主要研究對(duì)象，采用理論結(jié)合模擬的手段研究介觀(guān)體系中受限、多孔及活性等復(fù)雜環(huán)境對(duì)納米尺度物質(zhì)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的影響。
　　受限空間粒子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)
　　近二三十年來(lái)，受限空間粒子

3、擴(kuò)散的研究因其重要性和在實(shí)際介觀(guān)系統(tǒng)中的應(yīng)用一直都是物理、化學(xué)和生命科學(xué)關(guān)注的前沿問(wèn)題。在軟凝聚物及生命系統(tǒng)中，存在著大量狹長(zhǎng)的通道，物質(zhì)必須通過(guò)這些通道到達(dá)指定位置從而實(shí)現(xiàn)其功能。本文重點(diǎn)考察了隨時(shí)間變化的通道中納米粒子的兩個(gè)重要?jiǎng)恿W(xué)行為，熵隨機(jī)共振和粒子定向輸運(yùn)。研究表明變化的通道對(duì)粒子的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生了顯著的影響，主要表現(xiàn)為:隨機(jī)共振強(qiáng)度和粒子輸運(yùn)速度隨粒子重力有著非單調(diào)的變化趨勢(shì)。這些現(xiàn)象在靜止邊界的通道中是無(wú)法觀(guān)測(cè)到的。我們利用

4、粗?；拿枋鍪侄危瑢⑼ǖ缹?duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響在一定的時(shí)間和空間尺度上等效成熵壘的作用，發(fā)現(xiàn)粒子在變化通道中受到了來(lái)自通道產(chǎn)生的有效熵力的作用。通過(guò)對(duì)有效熵力的分析，很好的解釋了變化通道中觀(guān)測(cè)到的熵隨機(jī)共振及粒子輸運(yùn)對(duì)重力的非平凡的依賴(lài)行為。我們還進(jìn)一步研究了其它與通道特征有關(guān)的物理量，例如振蕩振幅、頻率、相差、對(duì)稱(chēng)性等對(duì)熵隨機(jī)共振及粒子輸運(yùn)的影響。
　　復(fù)雜環(huán)境高分子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)
　　細(xì)胞等復(fù)雜環(huán)境中存在著大量的物質(zhì)，如肌動(dòng)蛋白纖

5、維、核糖體、t-RNA和m-RNA等，這些物質(zhì)的存在會(huì)對(duì)其中高分子的擴(kuò)散及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生重要的影響。例如，其中障礙物粒子的存在會(huì)降低酶的催化作用，提高RNA的穩(wěn)定性甚至是它的熔點(diǎn)，還可以阻礙DNA綁定蛋白的遷移等等。而高分子在這樣一種具有大量復(fù)雜物質(zhì)的環(huán)境中的擴(kuò)散問(wèn)題也是生物物理及化學(xué)研究的重要課題之一。在本文中，通過(guò)結(jié)合模耦合理論和描述高分子運(yùn)動(dòng)的廣義郎之萬(wàn)方程，我們從理論上研究了多孔介質(zhì)環(huán)境中高分子的擴(kuò)散及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為。研究結(jié)果表

6、明，在多孔介質(zhì)這樣擁擠的環(huán)境中，高分子出現(xiàn)了異常擴(kuò)散行為，且末端距漲落的冪率衰減現(xiàn)象也與在一般環(huán)境中的高分子存在著時(shí)間尺度上的行為差異。進(jìn)一步的研究表明了多孔介質(zhì)中基底粒子（無(wú)法運(yùn)動(dòng)的粒子）的存在是導(dǎo)致異常擴(kuò)散的主要原因，因?yàn)榛琢Ｗ拥拇嬖趯?dǎo)致的系統(tǒng)平移不變性的消失使得高分子所感受到的記憶摩擦核出現(xiàn)了長(zhǎng)尾衰減的行為，以此我們也證實(shí)了基底粒子對(duì)高分子動(dòng)力學(xué)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于可運(yùn)動(dòng)的流體粒子。
　　活性粒子非平衡動(dòng)力學(xué)
　　活性粒

7、子是指那些能將周?chē)h(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成自身驅(qū)動(dòng)力而具有定向運(yùn)動(dòng)能力的人工合成納米粒子。在最近幾年中，由于材料學(xué)和納米科學(xué)的蓬勃發(fā)展，具有各種功能和形狀的活性粒子層出不窮。由于粒子的活性可以推動(dòng)體系遠(yuǎn)離平衡態(tài)，因此導(dǎo)致了活性粒子體系的大量有趣現(xiàn)象，如粒子集群運(yùn)動(dòng)、流體力學(xué)作用下的粒子自旋反轉(zhuǎn)、體系相分離等?；谶@些有趣的非平衡現(xiàn)象，自組裝的研究也因此得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。近來(lái)，人們開(kāi)始從理論及模擬上著手研究粒子活性在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中所扮演的角色，

8、其中體系的動(dòng)力學(xué)不均一行為因其重要性受到了特別的關(guān)注。在本文中，我們利用描述活性粒子的過(guò)阻尼郎之萬(wàn)方程詳盡的研究了粒子活性對(duì)體系動(dòng)力學(xué)不均一的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，較高粒子體積分?jǐn)?shù)下體系的動(dòng)力學(xué)不均一程度隨著活性的增加表現(xiàn)出了非單調(diào)的變化，進(jìn)一步的研究使得我們還發(fā)現(xiàn)在粒子活性較大時(shí)，隨著粒子體積分?jǐn)?shù)的增加，體系的動(dòng)力學(xué)不均一也表現(xiàn)出非單調(diào)變化的行為。上述這些非單調(diào)變化都說(shuō)明了一個(gè)結(jié)論，即粒子活性在體系非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程中扮演了兩種不同的角色，