【摘 要】
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定向运动和结构生成是远平衡体系的重要特征,在活性软物质体系中研究生物运动和形态生长的普适原理是当前学术热点之一[1].Belousov-Zhabotinsky反应自振荡胶马达[2]可将
【机 构】
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中国矿业大学,化工学院,221116
【出 处】
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第十一届全国软物质与生命物质物理学术会议
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定向运动和结构生成是远平衡体系的重要特征,在活性软物质体系中研究生物运动和形态生长的普适原理是当前学术热点之一[1].Belousov-Zhabotinsky反应自振荡胶马达[2]可将反应液环境中的化学能自发转化为定向运动,并通过信号分子扩散实现个体间通讯和群体运动,其基本运动学根源于化学波驱动刺激响应凝胶定向运动,可类比动物体内神经信号传导驱动肌肉蠕动的普遍过程,同时体系的化学动力学关系赋予化学波自组织过程可感知空间差异性物理场(光、物质浓度等),实现马达运动的自发性、定向性、可控制性和功能性；另一方面,基于BZ自振荡胶非线性化学动力学关系及其优良的均质性,可仿生研究反应-扩散体系中物质结构的自发生长过程.基于上述认识通过实验和模型研究完成了系列工作：其一,围绕"化学动力学驱动活性物质定向运动"研究核心,获得了自振荡胶马达的正负趋光、顺波与逆波运动和周期往返等复杂运动行为.首先研究了光敏BZ反应"振荡频率-光强动力学关系"的物理化学原理,解决了该体系"振荡频率控制"这个长期被忽略的基本问题(Chaos,2015)[3]；应用"光强-振荡频率非单调关系"在实验设计了凝胶马达的仿生向光和避光运动(Chem.Comm,2013)[4]；将化学波驱动活性自振荡胶类比生物肌肉蠕动,应用体系的化学动力学关系通过模型研究实现了逆波运动与顺波运动两种定向运动模式间的转化,并用于探讨和揭示生物运动学共同本质规律(Angew,2016)[5]；模型研究发现了缓慢变化环境中活性胶的自适应周期往复运动,获得其物理化学原理和能量转换控制方法,并应用于探讨生物周期性迁移的动力学根源(PNAS,2017)[6].其二,围绕"仿生波及其结构调制"研究主题,通过扩散进料反应器以及体系的光强-振荡频率非单调关系分别类比生物体系中物质输运过程和光合作用的光饱和动力学关系,可以实现扩散注入养分的生物多长度仿生生长(JPC-Letters,2013)[7],以及运用周期光调制实现了仿生植物树叶生长的羽状分裂和边缘波状形态(Angew,2016)[8].本研究在非线性化学活性物质体系中类比探讨生物运动学和生长学普适规律,研究结论可应用于开发软机器人和功能材料设计.
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