球形腔内水动力相互作用的有限尺寸布朗粒子的结构与动力学：球体与圆柱体

任意形状粒子的受限悬浮液的结构与动力学在从生物学到工程学的多个学科中均受关注。理论研究常受限于长程粒子-粒子与粒子-壁作用的复杂性，包括多体涨落水动力相互作用。在此，我们报道一项关于限制在球形腔内的球形与圆柱形粒子扩散的计算研究。我们依靠浸入边界一般几何类 Ewald 方法捕捉润滑与长程水动力学，并在限制壁处施加适当的无滑移条件。采用切比雪夫多项式近似满足布朗悬浮液的涨落-耗散定理。我们探究润滑、长程水动力学、粒子体积分数与形状如何影响粒子的平衡结构与扩散。发现一旦粒子体积分数大于 $10\%$，粒子就开始形成层状聚集体，极大影响粒子动力学。水动力相互作用通过诱导空间依赖的短时扩散系数、对粒子向壁扩散更强的壁效应，以及由拥挤引起的长时粒子迁移率中的亚扩散 regime，强烈影响粒子扩散。此处所考虑圆柱形粒子的不对称程度足以在层状结构中诱导取向序，降低扩散速率并促使在低粒子浓度下向拥挤迁移率 regime 转变。我们的结果对细胞内球状与纤维状蛋白的扩散与分布提供了基础性见解。