微型游泳者三维向列导向的模拟

已有研究表明，各向异性液晶(LC)环境可用于引导分散的微型游泳者（如细菌）的自推进动力学。这类复合系统被称为“活性向列”(LN)。在稀疏极限下，细菌主要遵循局部指向矢场。然而，超出稀疏极限后，它们表现出新颖的动力学行为，从围绕螺旋+1缺陷模式旋转到形成起伏波，再到活性湍流。我们目前对在不同种群密度下这些不同行为如何产生的认识仍然有限。在此，我们开发了一种混合方法来模拟分散在向列LC中的微型游泳者的动力学。具体而言，我们使用活性布朗动力学方法对微型游泳者进行建模，该方法与向列LC的流体动力学模型耦合，以描述流场和LC结构的演化。通过与现有的准二维(2D)实验进行比较，包括围绕螺旋模式的起伏旋转和周期性C图案上的稳定起伏射流，我们验证了该方法。我们通过考察环状缺陷动力学，进一步将该方法扩展到三维(3D)系统。我们发现，环状缺陷的形态动力学和命运不仅取决于活性（自推进速度）、有效尺寸和游泳者的初始分布，还依赖于其缠绕轮廓。具体而言，+1/2楔形和径向扭曲缠绕可以主导环状缺陷的动力学。通过改变特征反转时间，我们预测微型游泳者不一定聚集在展曲区域。总而言之，我们的混合方法为解释和指导2D和3D LN实验提供了可靠的工具，阐明了微型游泳者分布与缺陷动力学之间的相互作用，并揭示了利用LC控制活性物质的设计原理。