重力作用下，蠕動粒子懸浮液的沉降與結構研究

核心概念

本文利用耗散粒子動力學模擬方法，研究了重力場對主動微型泳者（如細菌和微藻）集體運動的影響，特別關注了沉降過程和底部單層結構的形成。研究發現，與被動膠體相比，主動微型泳者（pullers 和 pushers）在重力作用下更容易在底部形成有序的六角形結構，並且 pullers 比 pushers 更能保持這種有序結構。

摘要

文獻回顧

• 近年來，許多研究致力於理解不同外部場對活性劑運動的影響，特別關注活性劑之間存在流體動力學相互作用的情況。
• 重力對生物微型泳者（如細菌和微藻）的集體運動影響重大，是理解生物對流模式、細菌生物膜在固體表面沉降和生長的關鍵。
• 近期研究重點關注活性劑的沉降，包括單劑和集體動力學。
• 本文使用耗散粒子動力學（DPD）方法，研究了嵌入 DPD 溶劑中的類蠕蟲微型泳者的集體沉降。

研究方法

• 使用 DPD 模擬方法，系統由 N = 500 個“樹莓”膠體（可遊動或不遊動）組成，每個膠體由 Nc = 19 個粒子組成，嵌入由 Ns = 948073 個粒子組成的溶劑中，並限制在兩個包含 Nw = 168200 個粒子的平行壁之間，存在僅影響膠體的重力場。
• 使用改進的 DPD 模型模擬微型泳者，該模型將自推進力作為作用於溶劑粒子的類蠕蟲力場來實現。
• 研究了不同重力場強度下，被動膠體和 pullers、pushers 類型微型泳者的集體沉降行為，並與先前研究結果進行比較。
• 分析了沉降後底部單層的結構特徵，特別關注了隨著重力場增強而向有序結構（具有六角形對稱性）的過渡。

結果與討論

• 被動膠體在重力作用下沿垂直方向呈線性軌跡沉降，沉降速度與重力成正比，符合 Stokes 定律。
• 隨著重力增加，pullers 和 pushers 在底部形成的單層結構經歷了從無序到有序的過渡，形成具有六角形對稱性的晶體結構。
• 與被動膠體相比，pullers 和 pushers 更容易在底部形成有序結構，並且 pullers 比 pushers 更能保持這種有序結構，這表明活性有利於修復沉積單層中的缺陷。
• pullers 和 pushers 在靠近壁面時的定向行為不同，pullers 傾向於垂直於壁面排列，而 pushers 傾向於平行於壁面排列。

總結

• 本文利用 DPD 模擬方法研究了重力場對微型泳者集體運動的影響，揭示了沉降過程和底部單層結構形成的機制。
• 研究結果表明，活性對沉積結構的形成和穩定性具有重要影響，pullers 和 pushers 在沉積行為上存在顯著差異。
• 本文的研究結果有助於深入理解生物對流、生物膜形成等現象，並為設計和控制微型機器人提供參考。

統計資料

系統包含 N = 500 個膠體，每個膠體由 Nc = 19 個粒子組成。
溶劑由 Ns = 948073 個粒子組成。
壁面包含 Nw = 168200 個粒子。
膠體體積分數為 ϕc ≈ 0.099。
最大雷諾數 Re ≤ 0.105。
最大佩克萊特數 Pe = 58.33。
推進力 Fp = 100/3。
被動膠體擴散係數 D0col = kBT / 6πηRc。
pullers 的沉降長度 δpull = 5.27 RRDF (Fg/Fp = 0.15) 和 δpull = 2.5 RRDF (Fg/Fp = 0.3)。
pushers 的沉降長度 δpush = 9.96 RRDF (Fg/Fp = 0.15) 和 δpush = 3.41 RRDF (Fg/Fp = 0.3)。

引述

"In the present work, we consider the collective sedimentation of squirmer-like microswimmers embedded in DPD solvent following an improved version of the model presented in ref. 52."
"Apart from gaining insights on the interplay between gravity, thermal fluctuations and hydrodynamics, we aim to validate the model contrasting it with previous simulation studies using different techniques 35,36."
"Once the sedimentation has occurred, we study the structure of the formed bottom layer, paying special attention to the transition to an ordered structure with hexagonal symmetry as the gravitational field increases."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Sedimentation and structure of squirmer suspensions under gravity

by C. Miguel Ba... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13359.pdf

深入探究

本文的研究結果如何應用於更複雜的生物系統，例如具有不同形狀和遊動機制的微生物群落？

本文的研究結果提供了一個理解微生物群落沉降和結構形成的基礎框架，但要應用於更複雜的生物系統，需要考慮以下幾個方面：

形狀效應： 本文主要研究球形微泳體，而實際生物系統中微生物形狀多樣，例如桿狀、螺旋狀等。不同形狀會影響微生物的流體動力學相互作用和與壁面的相互作用，進而影響其沉降速度、排列方式和群體結構。例如，桿狀细菌可能會形成更緊密的排列，而螺旋狀细菌可能會表現出更複雜的旋轉和排列行為。
遊動機制： 本文採用了推動器和拉動器兩種簡化的遊動機制模型，而實際微生物的遊動機制更加多樣化，例如鞭毛旋轉、纖毛擺動等。不同遊動機制會產生不同的流場，進而影響微生物之間的相互作用和群體行為。例如，鞭毛旋轉產生的流場可能會促進微生物聚集，而纖毛擺動產生的流場可能會促進微生物分散。
異質性： 實際生物系統中微生物群落通常具有異質性，即包含不同種類、不同大小、不同遊動機制的微生物。這種異質性會導致更複雜的相互作用和群體行為，例如不同種類微生物之間的競爭或合作關係，以及不同大小微生物之間的空間分佈差異。
因此，要將本文的研究結果應用於更複雜的生物系統，需要發展更精確的模型，考慮微生物的形狀、遊動機制和群落異質性等因素。同時，需要結合實驗觀測，驗證和完善模型，以更好地理解和預測微生物群落的沉降和結構形成。

如果考慮膠體之間的吸引或排斥相互作用，沉降行為和底部單層結構將如何變化？

考慮膠體之間的吸引或排斥相互作用，將顯著影響沉降行為和底部單層結構：
吸引相互作用：

沉降行為： 吸引相互作用會促進膠體聚集，形成更大的團簇，進而增加沉降速度。這是因為更大的團簇具有更大的有效半徑和更小的阻力系数。
底部單層結構： 吸引相互作用會促進膠體在底部形成更緊密的排列，例如形成密集的聚集體或凝膠狀結構。這與本文中觀察到的六角形晶體結構不同，後者主要由硬球排斥相互作用主導。
排斥相互作用：

沉降行為： 強烈的排斥相互作用會阻礙膠體聚集，維持其分散狀態，進而減緩沉降速度。
底部單層結構： 排斥相互作用會促進膠體在底部形成更有序的排列，例如形成更完美的六角形晶體結構。這是因為排斥相互作用會迫使膠體保持一定距離，避免重疊和缺陷的產生。
此外，吸引或排斥相互作用的強度和作用範圍也會影響沉降行為和底部單層結構。例如，短程吸引和長程排斥相互作用可能會導致形成具有特定間距和排列方式的膠體團簇。
總之，考慮膠體之間的吸引或排斥相互作用，將使沉降行為和底部單層結構呈現更加豐富的現象。需要根據具體的相互作用形式和參數，結合模擬和實驗研究，才能更全面地理解其影響。

本文的研究結果對於設計能夠在複雜環境中導航和執行特定任務的微型機器人有何啟示？

本文的研究結果對於設計微型機器人具有以下啟示：

形狀和遊動機制設計： 研究結果表明，微泳體的形狀和遊動機制對其在流體中的運動行為至關重要。設計微型機器人時，可以借鑒自然界微生物的形狀和遊動機制，例如設計成球形、桿狀或螺旋狀，並採用推動、拉動或旋轉等方式驅動。通過優化形狀和遊動機制，可以實現對微型機器人運動方向和速度的精確控制。
群體行為控制： 本文研究了微泳體在重力場下的沉降行為和底部單層結構，揭示了微泳體之間的流體動力學相互作用對其群體行為的影響。設計微型機器人群體時，可以利用這些相互作用，例如通過調整微型機器人的形狀、遊動機制或表面性質，控制其聚集、分散或形成特定隊形的行為。
環境感知和適應： 微生物能够感知和適應複雜的流體環境，例如通過改變遊動機制或分泌化學物質來應對環境變化。設計微型機器人時，可以借鑒這些機制，例如搭載傳感器，使其能够感知周圍環境的流速、壓力或化學物質濃度等信息，並根據環境變化調整自身的運動狀態或執行特定任務。
總之，本文的研究結果為設計能够在複雜環境中導航和執行特定任務的微型機器人提供了重要的理論依據和設計思路。通過深入理解微泳體的運動機制和群體行為，並結合材料科學、控制理論和微纳加工技術，將推動微型機器人在生物醫學、環境監測和微纳製造等領域的應用。