滑移界面与界面限制下细菌运动的显微研究

作     者：张沛欣 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：经光银;罗昊;刘亚楠

授予年度：2021年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071007[理学-遗传学] 

主      题：界面 细菌游动 受限空间 微流 

摘      要：具有微纳尺寸的游泳生物在界面的运动行为与很多自然现象和生命健康有着紧密联系。细菌利用鞭毛鞭打周围流体,获得推力从而实现运动与迁移,被当做典型的微游泳体,其运动的流体力学特性是当前低雷诺数下微生物游动的重要研究方向。然而实际情况下,由于布朗热运动、run-tumble过程、细菌自游动、流场剪切,及界面复杂性等因素,人们对细菌的运动仍有许多尚未理解的现象与物理机理。源于细菌总是生活在有界空间内,如管道、医疗导管、器物表面等,研究界面对细菌运动的影响有重要的应用价值。本论文围绕三个问题展开,即,从滑移界面构筑与特性、细菌在复杂界面的运动行为、细菌在受限空间与流场的耦合作用出发,回答开放体系下,液-液界面与液-固界面的复合界面如何实现超滑能力;细菌在收缩-扩张流中的运动行为以及细菌自身取向与流场的耦合作用;拉伸-压缩流中细菌的偏航行为。主要内容包括:首先,调控开放界面的滑移能力及其对细菌液滴粘附的影响。从原理上提出nonSLIPS超滑界面模型,从实验上将液-液界面与液-固界面相结合,利用界面滑移长度对细菌运动的调控,改变固体纳米基底浸润性,成功实现了该结构的超滑及抗菌液粘附效果。同时,从能量角度引入固-液界面能量势垒,探讨了不同界面能调控下液滴滑移能力与启动速度的物理关联。然后,研究细菌取向与拉伸-压缩流的耦合作用。通过设计漏斗状受限微流管道,实现了拉伸-压缩流场的构建。研究了流率大小与细菌在管道窄口界面附近的游动行为的关系,发现了特定剪切率下细菌在压缩流场中的反对称聚集。通过定义细菌的取向角,定性讨论了拉伸流对细菌的“整流作用,明确了细菌在下游的聚集现象与其取向和流场之间的耦合作用相关。最后,研究压缩流对细菌运动的影响。基于前面对流场的分析,为增强细菌的聚集效果,将管道窄口拉长,去除拉伸流,在圆形管道出口处仅留下压缩流,探究细菌在下游界面的运动情况。发现大流率下,细菌在下游圆形管道界面仍然大量聚集,且细菌在矩形管道界面做偏航运动。我们合理外推细菌在下游侧壁贴壁运动,从而构成三维的细菌环流将细菌“囚禁于下游管道。