受束缚的两个胶体粒子的布朗动力学模拟

论文摘要

胶体悬浮系统是指微小颗粒分散于溶剂中而形成的系统,是软物质的一种。胶体悬浮系统中每个粒子受到溶剂的摩擦力,周围粒子的势力,流体力学作用力和热力学的作用。胶体动力学研究在这些力的作用下,胶体颗粒随时间的运动规律。目前,许多研究者用不同的方法（实验、计算机模拟和理论）研究了在不同边界条件下（光学镊子、电场、磁场）的胶体扩散体系的特性。近来,又发现了由于这些外场所产生的相变的现象。对胶体动力学的研究有助于理解某些微生物动力学的问题。 研究胶体悬浮系统和其他相关问题的方法有不少,数值模拟方法主要有以下三种:a Monte Carlo模拟方法;b 布朗动力学模拟方法;c 分子动力学模拟方法。目前,对于球对称的或具有球对称单元的布朗粒子来说,模拟方法是非常适用的。本文主要是用布朗动力学模拟方法研究了一个简单的胶体悬浮系统:在低雷诺数水溶液中,两个微型的球形胶体粒子分别固定于距离可变的新型光学镊子中,在1998年,Jens-Christian Meiners和Stephen R.Quake用实验的方法已经研究了该模型并且发现了一个十分有意思的现象:两个粒子各自的自相关函数都是呈指数衰减的,而两个粒子之间的位置互相关函数却显示出明显的、滞后的负相关关系。这个现象在考虑了由扩散张量反映的流体力学相互作用的基础上可以得到比较好的重复并且与近似解析计算所得的结果基本吻合。进一步的还能发现,如果使用不同近似阶次的扩散张量,随着两个粒子之间距离的变化,结果也会有变化:两粒子间距离相距足够远时,使用低阶张量的模拟结果与解析结果基本趋于一致;而相距越近,差别也越大。从而可以得到不同扩散张量的适用范围。同样地,也可以把上述方法应用到在低雷诺数水溶液中,固定在一根弹簧两端的两个球形胶体粒子的模型中,可以得到类似的结论。 对一个小的系统的计算已经表明在布朗动力学模拟过程中考虑流体力学相互作用的重要性。同时,该方法对于研究聚合物动力学,蛋白质的交叠,粒子的凝结及其它溶液中的现象都是非常有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 软物质（复杂流体）
• 1.2 胶体系统
• 1.3 胶体相互作用研究的主要方法及发展状况
• 第二章 流体力学背景知识
• 2.1 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程描述
• 2.2 时间尺度和输运方程
• 2.3 扩散张量的计算
• 第三章 动力学光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）
• 第四章 布朗动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 单个粒子的布朗动力学模拟
• 4.3 N个粒子的布朗动力学模拟
• 第五章 对两个势阱中的胶体粒子的位置相关函数的计算及讨论
• 5.1 实验装置
• 5.2 近似解析计算
• 5.3 模拟结果与解析结果的比较及分析
• 5.4 小结
• 第六章 一个应用（弹簧模型）
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 编程说明
• 致谢