活性游动子密度异质性的极大值
软凝聚态物质
2017-11-27 v1 统计力学
摘要
诸如具鞭毛细菌或运动藻类等的单细胞微型游动子悬浮液在足够高浓度下会展现自发的密度异质现象。基于生物驱动附肢（即鞭毛或纤毛）的相对位置，微型游动子的推进机制可分为两类：(i) 推子，如 \textit{E. coli} 细菌或精子，在其后部产生推力，将流体推离自身并向前推进；(ii) 拉子，如微藻 \textit{Chlamydomonas reinhardtii}，其前部附有两根鞭毛，将流体拉入从而在前部产生推力。我们引入了一种新颖的生物微型游动子模型，该模型产生相应微型游动子的流场，并考虑了游动子体的形状各向异性与冲程平均鞭毛。通过采用多粒子碰撞动力学，我们将游动子动力学与流体动力学直接耦合。我们刻画了随填充分数与 Péclet 数变化的不平衡相图，并发现由于流体动力学不稳定性，拉子与推子的分布中均存在密度异质。我们发现由于游动子间流体动力学与空间排斥相互作用的竞争，在中度填充分数与高 Péclet 数处聚类程度最大。我们发展了支持这些结果的解析理论。这一极大值可能代表了微生物对其环境定殖的最优条件。
引用
@article{arxiv.1711.08689,
title = {Maximum in density heterogeneities of active swimmers},
author = {Fabian Jan Schwarzendahl and Marco G. Mazza},
journal= {arXiv preprint arXiv:1711.08689},
year = {2017}
}