1.一种新型的自驱动微纳米马达输运系统,其特征在于自左向右包括初始腔室(1)、通道(3)、收集点(4)和墙壁(5),初始腔室(1)左侧和右侧均为墙壁(5),所有粒子均无法通过墙壁(5),墙壁(5)与粒子之间具有碰撞作用,所述粒子包括溶液粒子A,燃料粒子B、产物粒子P和微纳米马达,初始腔室(1)右侧墙壁(5)上设有通道入口(2),宽度等于微纳米马达单球的直径;微纳米马达在初始腔室(1)中做无规则运动,一旦微纳米马达运动到通道入口(2)就将会被通道(3)捕获,然后在这条软通道上进行自驱动运动,直至到达目的地之后被收集。
2.根据权利要求1所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统,其特征在于所述通道(3)能够将溶液粒子A转化为燃料粒子B,所述微纳米马达为二聚物马达,包括活性球C和非活性球N,中间由硬杆连接,燃料粒子B在活性球C的催化作用下生成粒子P,活性球C周围形成一个以活性球C为中心的P粒子的浓度场,P粒子与非活性球N的相互作用小于A/B两种溶液粒子与非活性球N的相互作用,因此会对非活性球N产生一个沿着非活性球N指向活性球C的驱动力,推动二聚物马达进行运动,当P粒子远离二聚物马达之后又会转换回A或B粒子,P粒子转换回A粒子还是B粒子取决于P粒子转换时所处的位置。
3.一种新型的自驱动微纳米马达运输方法,其特征在于利用运输系统进行运输,所述运输系统自左向右包括初始腔室(1)、通道(3)、收集点(4)和墙壁(5),初始腔室(1)左侧和右侧均为墙壁(5),所有粒子均无法通过墙壁(5),墙壁(5)与粒子之间具有碰撞作用,系统内设置有粒子,所述粒子包括溶液粒子A,燃料粒子B、产物粒子P和微纳米马达,所述微纳米马达为二聚物马达,包括活性球C和非活性球N,中间由硬杆连接,初始腔室(1)右侧墙壁(5)上设有通道入口(2),宽度等于微纳米马达单球的直径;所述运输方法的步骤如下:步骤1:微纳米马达在初始腔室(1)中做无规则运动,一旦微纳米马达运动到通道入口(2)就将会被通道(3)捕获;
步骤2:所述通道(3)能够将溶液粒子A转化为燃料粒子B,燃料粒子B在活性球C的催化作用下生成粒子P;
步骤3:活性球C周围形成一个以活性球C为中心的P粒子的浓度场,P粒子与非活性球N的相互作用小于A/B两种溶液粒子与非活性球N的相互作用,因此会对非活性球N产生一个沿着非活性球N指向活性球C的驱动力,推动二聚物马达进行运动;
步骤4:二聚物马达在软通道(3)上进行自驱动运动,直至到达目的地之后被收集;
步骤5:当P粒子远离二聚物马达之后又会转换回A或B粒子,P粒子转换回A粒子还是B粒子取决于P粒子转换时所处的位置。
4.一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于包括:
第一步:构建输运系统中的物理模型;包括溶液粒子A、燃料粒子B、产物粒子P、二聚物马达;
第二步:确定初始状态参数,包括温度、质量、尺寸、所有粒子的初始位置;
第三步:计算并更新下一个时间步长的溶液粒子的位置和速度,采用多粒子碰撞动力学方法(MPC)来对溶液粒子的运动过程进行模拟,得出下一步所有溶液粒子的位置数据;
第四步:计算此时二聚物马达的受力,通过Verlet算法计算二聚物马达的当前位置和速度;
第五步:更新并输出二聚物马达的当前位置,速度和受力数据;回到第三步模拟下一个时间步长直到仿真结束。
5.根据权利要求4所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于所述的第一步中所述的输运系统是一个三维的输运系统,但在Z方向将二聚物马达限制在Lz/2平面上,体积为y=Lx*Ly*Lz,将此系统空间分成许多大小为a3的相同的立方形格子,此时系统空间被离散化,将格子的长度α设为1,采用“点”状粒子模拟系统中的A、B、P三种溶液粒子,自左向右包括初始腔室(1)、通道(3)、收集点(4)和墙壁(5);初始腔室(1)左侧与右侧均为墙壁(5),所有粒子均无法通过,并和粒子之间具有碰撞作用,初始腔室(1)右侧墙壁(5)上设有通道入口(2),宽度等于二聚物马达单球的直径;所述二聚物马达包括活性球C和非活性球N,中间由硬杆连接;B粒子遇到活性球C后会发生反应生成产物粒子P,P粒子与非活性N的相互作用小于A/B两种溶液粒子与非活性球N的相互作用,因此会对非活性球N产生一个沿着非活性球N指向活性球C的驱动力,推动二聚物马达进行运动;系统Y和Z方向采用周期性边界条件。
6.根据权利要求5所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于所述的第二步的具体方法如下:所述的球形二聚物马达,包括一个活性球C和一个非活性球N,中间通过一根硬杆连接,所述第二步中系统温度:kBT=0.2,每个格子中放入9~10个溶液粒子,溶液粒子质量:Ms=
1.0,活性球C与非活性球N的半径RC=RN=1.0~2.0,分子动力学时间:tMD=0.01,MPC时间:tMPC=0.5,不同粒子之间作用势参数为:εNA=εNB=0.1,εCA=εCB=0.1,εPC=5.0,εNC=5.0,A、B溶液粒子之间反应速率k2=0.000004~0.000009,球形二聚物马达与溶液粒子之间的相互作用为L-J琼斯势;在初始腔室(1)中依次随机放置数量为ND,半径为RC=RN的二聚物马达,若与其他二聚物马达有重叠则重新放,将Ns个质量为Ms的溶液粒子A依次随机放置在整个系统内部,若放到墙壁(5)里或者二聚物马达里重新放,每个粒子i具有不同的连续位矢和连续速度 记录所有粒子的位置、速度、受力等数据。
7.根据权利要求4所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于所述的第三步的具体方法如下:在离散的时间间隔Δt内,位置和速度的改变是由交互的两步完成的:流动→碰撞→流动.......;粒子在获得初始位置和初始速度后,在第一个Δt时间内,粒子发生碰撞和流动;在碰撞阶段,MPC算法中把位于相同格子的所有粒子发生碰撞,并且在碰撞后,粒子的速度满足随机旋转规则(SRD);在流动过程,粒子满足经典的牛顿运动方程;每个位矢的改变量由速度决定,在时间t+Δt时,粒子的新位矢为:
8.根据权利要求4所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于所述的第四步的具体方法如下:二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力(L-J琼斯势)如下所示:
其中:α为二聚物马达,S为其他粒子,σα为α粒子的截断半径;εαS为α粒子对其他粒子S的作用势距离;
二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力公式(1)计算,利用当前数据计算每个二聚物马达的所有受力之和;
对球形二聚物马达选择用Verlet算法来计算其速度和位矢;Verlet算法是MD算法中一种数值积分方法,具体步骤如下:系统中任选一球形二聚物马达i,设在t时刻的位矢: 速度为: 受合外力为:
(1):由公式 得到t+Δt时刻的位矢
(2):根据新的位矢 计算t+Δt时刻的受力
(3):由公式 得到t+Δt时刻的速度
(4):回到(1),由t+Δt的位矢和速度,在计算t+2Δt的位矢和速度。
9.根据权利要求4所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于所述的第五步的具体方法如下:二聚物马达在初始腔室(1)中做无规则运动,一旦二聚物马达运动到通道入口(2)就将会被通道捕获,然后在这条软通道上进行自驱动运动,输出每一个时间步长的二聚物马达的数据,然后计算下一个时间步长二聚物马达的运动过程;如果有二聚物马达运动到设定的收集点(4),就认为该二聚物马达已经到达,记录此时的二聚物马达编号和时间步长,直到达到系统设定的时间步长。
10.根据权利要求4所述的一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法,其特征在于根据初始参数的设定来进一步处理数据,实现模拟过程的演化,得到模拟出来的二聚物马达的位置信息;通过改变二聚物马达的面积分数(只改变二聚物马达数量ND或者半径RC,RN)来计算并分析二聚物马达到达收集点的百分比和二聚物马达的首次巡航时间;
利用Fortran软件进一步计算处理数据,并利用origin软件绘图表示不同条件下二聚物马达到达收集点的百分比和二聚物马达的首次巡航时间;
根据模拟获得的二聚物马达和溶液粒子的位置、速度等数据通过MATLAB以及VMD的绘图功能将系统的演化过程达到可视化的效果,直观的观察到二聚物马达的运动过程。