Machine Learning-integrated Multiscale Simulation Framework: Bridging Scales in Associative Polymer-Colloid Suspensions
The University of Melbourne（墨尔本大学）；University of Michigan（密歇根大学）
本文提出集成机器学习的多尺度模拟框架，用于研究关联聚合物-胶体悬浮液的流变行为，通过显式链动力学、主动学习元模型和Pop-BD方法，实现从链级到宏观尺度的高效模拟与设计。
2026-02-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Quantum and Critical Casimir Effects: Bridging Fluctuation Physics and Nanotechnology
本综述系统梳理量子与临界卡西米尔效应的理论及实验研究，对比二者异同，分析材料、几何、温度等的影响及相关前沿方向，阐明其底层物理，助力纳米力学、光力学与量子技术应用发展。
2025-05-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.app-ph
Application of molecular simulations: Insight into liquid bridging and jetting phenomena
分子动力学模拟已进行纯液态水，氯化钠水溶液，和聚合物溶液暴露于一个强大的外部电场的目标，以获得分子的洞察力的结构响应的字段。几种模拟方法已被用来阐明导致形成液体桥和射流（在纳米纤维的生产）的过程的分子机制。它示出，在建立的纳米级结构中，分子形成一个链，其偶极矩在整个样品体积中平行于所施加的场取向。离子的存在可能会干扰这种结构，导致其最终解体成液滴;稳定液柱所需的阈值场的浓度依赖性已被确定。还观察到聚合物在喷射过程中的构象变化。
2015-04-03 cond-mat.soft
Revisiting viscosity from the macroscopic to nanoscale regimes
流体对剪切应力引起的变形的响应称为剪切粘度。这个概念来自宏观的观点，最早由艾萨克·牛顿爵士提出。尽管如此，流体是一系列受容器形状约束的运动分子。这种观点要求从微观或分子的角度来处理粘性，这是爱因斯坦和Smoluchowski独立承担的任务。在这里，我们重新审视粘度的概念，并通过实验验证，在分子水平上的粘度，它描述的阻力，是相同的宏观剪切粘度，因此，桥接不同的长度和时间尺度。为了捕获流体的剪切应力响应，我们使用经典的流变学;在分子水平上，我们使用探针扩散来确定平移和旋转运动的局部粘度。在这些情况下，我们分别使用荧光相关光谱和时间分辨荧光。通过增加渗压剂（葡萄糖-D）的浓度，我们改变了粘度，并发现这些方法提供了一个统一的观点，粘度弥合宏观和纳米级制度之间的差距。此外，葡萄糖的粘度遵循更通常与支化聚合物溶液相关的比例因子，因为探针尺寸与施加阻力的渗透剂的尺寸相当。
2018-04-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nanofluidic Rocking Brownian Motors
由于大多数相互作用机制的不利缩放到小的长度尺度，因此在流体中控制和传输纳米级物体是具有挑战性的。我们通过精确地塑造纳米流体狭缝的几何形状并利用带电粒子和壁之间的静电相互作用来设计纳米粒子的能量景观。定向输运是通过将不对称势与振荡电场相结合来实现的，以实现摇摆布朗马达。使用直径为60 nm的金球，我们研究了具有高时空分辨率的电动机的物理特性，从而实现了与理论的无参数比较。我们制造了一种分选设备，可以在几秒钟内将60和100纳米的颗粒从相反的方向分离出来。建模表明，该设备分离的颗粒具有1纳米的径向差异。
2018-08-24 cond-mat.soft
Characterizing the Orientational and Network Dynamics of Polydisperse Nanofibres at the Nanoscale
多分散纤维网络是许多天然和人造结构的基础，从高性能生物基材料到活细胞和组织的组成部分。这种网络的形成和持久性取决于纤维的性质，如长度和刚度以及数量密度和纤维-纤维相互作用。纤维网络行为的研究，如连接性或刚性阈值，通常假设固定的纤维长度和各向同性的纤维取向分布，特别是对于纳米纤维，其中提供时间分辨测量的方法是有限的。使用双折射测量的微流体流动聚焦通道结合流动停止程序，我们在这里提出了一种方法，允许调查的长度依赖的纳米级多分散纤维悬浮液的旋转动力学，包括非各向同性取向分布的影响。从旋转流动性到刚性在缠结阈值的过渡是专门针对一些纳米纤维素悬浮液，这是用来作为模型纳米纤维系统。结果表明，所提出的方法可以表征网络动力学的布朗扩散和纳米粒子排列之间的微妙的相互作用。
2018-12-18 cond-mat.soft
Role of the constriction angle on the clogging by bridging of suspensions of particles
本文研究通道收缩角对非布朗球形颗粒悬浮液桥接堵塞的影响，发现减小收缩角可降低堵塞概率，且在接近最大堆积分数的浓密悬浮液中效应更显著，并用拱形选择机制解释了半稀与浓密悬浮液的行为差异。
2024-05-03 cond-mat.soft
Interplay between hydrodynamics and the free energy surface in the assembly of nanoscale hydrophobes
溶剂在纳米粒子的相对运动中起着重要的作用，对这种现象的研究有助于阐明疏水组装的机理，以及溶剂介导的效应对拥挤细胞环境中体内运动的影响。在这里，我们研究这个问题的布朗动力学的框架内的重要方面。在显式溶剂中，我们通过分子动力学模拟计算了布朗粒子的自由能面和它们之间的流体动力学相互作用。我们发现，分子尺度效应占主导地位，在短距离，从而引起偏差的连续流体动力学理论的预测。干燥现象、溶剂分层和波动产生分子尺度的不同特征。在扩散控制的限制的组装率被发现减少从分子尺度的流体动力学相互作用，在相反的自由能驱动力的疏水组装，并采取行动，以加强影响的自由能表面上的关联更亲水的机构。
2011-12-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Transport of soft matter in complex and confined environments
本文探讨以布朗运动为基础，结合软物质特性与流体动力学能量输入，在复杂受限环境中实现纳米尺度组织与输运的新物理模式。
2025-06-06 cond-mat.soft
Confined Brownian ratchets
我们分析了在一个封闭的环境中的布朗棘轮的动力学。颗粒的运动由Fick-Jakobs动力学方程描述，其中边界的存在通过熵势来建模。详细分析了闪烁棘轮、两态模型和温度梯度影响下棘轮的情况。我们表明，出现了一个强大的协同性之间的内在整流的棘轮机制和熵偏差的波动所造成的空间限制。在单独作用时，这些机制都不会导致整流的情况下，可能会发生净粒子输运。组合整流机制可能会导致双向运输和新的路线偏析现象。限制布朗棘轮（CBR）可以用来控制传输在介观结构和工程师的新的和更有效的设备在纳米级的传输。
2013-05-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Influence of the solid fraction on the clogging by bridging of suspensions in constricted channels
当颗粒悬浮液流过封闭系统时，就会发生堵塞。堵塞的形成通常与通道横截面的减小相关。在这项研究中，我们考虑的堵塞桥接，即，通过在阻碍颗粒向堵塞物下游输送的收缩处形成稳定的颗粒拱。为了表征悬浮液的体积分数对堵塞动力学的作用，我们研究了颗粒悬浮液通过3D打印的毫流体装置的流动。我们系统地描述了非布朗粒子在准二维系统中的桥接，在该系统中，我们直接可视化和跟踪粒子，因为它们流动并在收缩处形成拱形。我们报告堵塞的条件时，不同的收缩宽度，粒径比为不同浓度的悬浮液中的颗粒桥接。然后，我们讨论了我们的结果，使用随机模型合理化的固体分数的堵塞概率的影响。了解堵塞物形成的机理和条件是优化工程设计和开发更可靠的点胶系统的重要一步。
2022-08-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Observation of Brownian elastohydrodynamic forces acting on confined soft colloids
本研究结合全息显微镜与统计推断新方法，分析刚性壁附近软油滴的布朗运动，发现全新瞬态大软布朗力，对微生物输运等生命过程有重要意义。
2024-05-22 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.class-ph
Asymmetrical free diffusion with orientation-dependence of molecules in finite timescales
利用分子动力学模拟，我们表明，自由扩散的纳米粒子（分子）的非对称结构的关键取决于在皮秒到纳秒的有限时间尺度的取向。在~100 ps的时间尺度内，粒子沿初始取向移动的可能性比与取向相反移动的可能性多~10%;粒子的扩散距离达到~1 nm。我们发现，这一观察的关键是取向依赖的阻尼力的纳米粒子的移动和有限的时间是需要调整的颗粒取向。这一发现将爱因斯坦的工作扩展到了随机布朗运动之外的纳米世界，从而对理解纳米世界具有重要意义。
2013-07-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Light-Activated Self-thermophoretic Janus Nanopropellers
Univ. Bordeaux, CNRS, Centre de Recherche Paul-Pascal (CRPP)（波尔多大学，法国国家科学研究中心，保罗-帕斯卡研究中心）；CNRS, ENSL, Laboratoire de Chimie（法国国家科学研究中心，里昂高等师范学校，化学实验室）
本研究通过光激活实现无燃料、可逆的Janus纳米推进器，展示其在纳米尺度上操控主动物质的能力。
2026-02-19 cond-mat.soft
Shear thinning of non-Brownian suspensions and its variation at different ambient conditions
不混溶的污染物通常涉及天然存在的悬浮液。其流动行为的变化很少被评估。在这里，我们调查的油基两相悬浮液的粘度的变化超过两年的时间，这是暴露于环境空气中的生产阶段。我们发现，空气的绝对湿度，这强烈地随季节变化，导致交换的水滴与悬浮液，大大改变其剪切稀化行为。只有在冬季，当湿度低，是后者接近理想的两相悬浮液。我们的测量表明，当悬浮固体颗粒的表面粗糙度足够低时，浸没的液滴保持在自由状态，有效地增加颗粒之间的排斥，削弱剪切稀化。相反，当粗糙度足够高时，浸没的液滴被捕获在颗粒表面上，通过水桥接诱导有吸引力的颗粒相互作用，增强剪切稀化。
2023-02-13 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Emergence of molecular friction in liquids: bridging between the atomistic and hydrodynamic pictures
液体中的摩擦力是由分子和原子之间的保守力引起的。虽然在纳米尺度的流体力学是激烈的研究的主题，尽管在非马尔可夫动力学的单分子和溶质的巨大兴趣，从原子尺度的摩擦发生至今无法证明。在这里，我们基于包括水在内的三种原型液体的高精度模拟的频率分辨摩擦数据填补了这一空白。结合严格的理论论证，我们表明，在液体中的摩擦突然出现在一个特征频率，超过该频率的粘性液体出现非耗散，弹性固体，因此，它的起源是非本地的时间。与此同时，分子经历布朗力，显示持久的相关性和持久的记忆。广义斯托克斯-爱因斯坦关系的一个关键测试，映射的宏观样品的粘弹性响应的单分子的摩擦，反驳牛顿流体的关系，但证实了它的示例性的水和适度的过冷液体。所采用的方法是适合产生新的见解玻璃化机制和有趣的软材料的机械性能。
2020-04-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Spontaneous Directional Motion of Shaped Nanoparticle
在纳米尺度空间和皮秒到纳秒中，发生了巨大的物理、化学和生物过程，而所涉及的颗粒/分子在热波动下的运动通常使用基于足够长的时间平均和球形颗粒形状的假设的扩散布朗运动的传统理论来分析。在这里，使用分子动力学模拟，我们表明，不对称形状的纳米粒子在稀溶液中具有自发定向运动的质心在有限的时间间隔内。这种意想不到的方向运动的驱动力在于它们的组成原子在扩散布朗运动开始之前的时间尺度上的取向调节期间所经历的相互作用的不平衡。推导出了描述这种定向运动的平均位移和方差的理论公式。我们的研究可能朝着建立一个完整的理论框架来描述从弹道到扩散制度的所有时间尺度上的各种形状的粒子在溶液中的运动迈出了重要的一步。
2016-01-29 cond-mat.soft
Thermally Driven Imbibition and Drainage Induced by Terraced Nanostructures
理论分析和完全原子分子动力学模拟揭示了布朗棘轮机制，通过该机制，热波动驱动限制在具有微米或纳米尺度的通道或孔中的不混溶液体的净位移。热驱动位移是由具有方向不对称性的表面纳米结构引起的，并且可以发生在润湿力或毛细力的作用方向上。在分子动力学模拟中，通过解析解Smoluchowski扩散方程的位置概率密度，预测平均位移速率。所提出的物理机制和衍生的分析表达式可以应用于工程表面纳米结构，用于控制不同的润湿过程，如毛细填充，芯吸，吸胀在微米或纳米级系统的动态。
2015-07-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Optimal least-squares estimators of the diffusion constant from a single Brownian trajectory
显微镜和图像处理的现代发展正在革命性地改变物理，化学和生物学领域，因为纳米级物体可以以前所未有的精度进行跟踪。然而，以高时间和空间分辨率直接可视化单个粒子轨迹所付出的代价是缺乏统计数据。这自然需要可靠的分析工具，使人们能够从一个单一的轨迹中提取特定于统计系综的属性。在这篇文章中，我们简要地调查不同的分析方法，目前用于确定合奏平均扩散系数从单粒子数据，然后专注于加权最小二乘估计，寻求权重函数，这种估计是遍历的。最后，我们解决的问题，这种估计混乱的影响。
2013-03-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Controlled propulsion and separation of helical particles at the nanoscale
控制纳米和微米级物体在流体环境中的运动是设计优化的微型机器的关键因素，这些机器执行机械任务，例如在细胞中运输药物或遗传物质，流体混合以加速化学反应，以及在微流体芯片中运输货物。定向运动是通过非对称粒子的平移和旋转运动的耦合而实现的。当前在纳米尺度上实现定向和受控运动的挑战在于克服由于流体中的热波动引起的随机布朗运动。我们使用混合晶格玻尔兹曼分子动力学方法与充分的流体动力学相互作用和热波动，以证明在水性环境中的控制推进的个人nanohelices是可能的。我们优化的推进速度和效率的外部驱动nanohelices。我们通过计算不同形状、匝数和螺距的螺旋的Péclet数来量化热效应对定向运动的重要性。与手性物体的实验微尺度分离相一致，我们的研究结果表明，在Péclet数$>10$的热波动的存在下，手性粒子根据其手性和所施加的扭矩的方向，使手性粒子的分离在纳米级的传播方向。我们的研究结果提供了标准的设计和控制的螺旋机器在纳米级。
2017-01-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Multiscale method based on coupled lattice-Boltzmann and Langevin-dynamics for direct simulation of nanoscale particle/polymer suspensions in complex flows
发展了一种耦合Lattice-Boltzmann（LB）方法和Langevin-dynamics（LD）方法的混合计算方法，用于模拟同时存在热涨落和长程多体流体动力学相互作用（HI）的纳米颗粒和聚合物（NPP）悬浮体系.在LD方法中，NPP的布朗运动被一个随机强迫项所捕获。LD方法通过离散LB强迫源分布与非波动LB流体双向耦合，以捕获长程HI。为了保证粒子数量的线性可扩展性，提出了一种用于短距离粒子邻居搜索和交互的欧拉-宿主算法，并嵌入到LB-LD框架中. LB-LD方法的有效性和准确性证明通过几个示例问题。仿真结果与理论和实验结果吻合较好。LB-LD方法可以有利地并入复杂的多尺度计算框架中，用于有效地模拟多尺度、多组分颗粒悬浮系统，例如复杂的血液悬浮液。
2019-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Dark Field Differential Dynamic Microscopy enables the accurate characterization of the roto-translational dynamics of bacteria and colloidal clusters
具有各向异性形状的微米和纳米级物体是各种生物系统和惰性复杂材料的关键组成部分，并且代表了新型自组装策略的基本构建块。它们的热运动的时间尺度由它们的平移和旋转扩散系数设定，对于具有小光学对比度的相对大的颗粒，其测量可能变得困难。在这里，我们表明，暗场微分动态显微镜是理想的工具，探测旋转平移布朗运动的形状各向异性颗粒。我们证明了我们的方法，成功地应用于非运动细菌和球形颗粒的胶体聚集体的水分散体。
2017-10-16 cond-mat.soft
Tracking the Brownian motion of DNA-functionalized magnetic nanoparticles for conformation analysis beyond the optical resolution limit
University of Kassel（卡塞尔大学）；Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT)（跨学科纳米结构科学与技术中心）；Bielefeld University（比勒费尔德大学）
通过布朗运动分析DNA功能化磁性纳米颗粒的构象，超越光学分辨率极限，揭示水动力学标度与dsDNA长度的关系。
2026-02-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.app-ph
A unified analysis of nano-to-microscale particle dispersion in tubular blood flow
当颗粒从纳米级变化到微米级尺寸时，与红细胞（RBC）相比，固体颗粒在血流中的运输表现出运输机制的质的差异。几个小组已经研究了微尺度颗粒边缘化的影响。此外，血液中纳米颗粒（NPs）的运输在过去也受到了相当大的关注。这项研究试图通过定量地显示传输机制如何随颗粒尺寸从纳米到微米尺度而变化来弥合这一差距。使用三维（3D）的多尺度方法，在微尺度的管状流的颗粒的分散进行了研究，为各种血细胞比容，血管直径和颗粒尺寸。由于严重的布朗运动，纳米颗粒在整个管半径上表现出不均匀的、平滑分散的分布。通过增加红细胞压积和限制，可以适度增强NP的近壁浓度。此外，存在临界颗粒尺寸（$\sim$ 1 $μ$ m），其导致颗粒过度保留在壁附近的无细胞区域中，即，边缘化在该阈值以上，边集倾向随着颗粒尺寸而增加。RBC增强的剪切诱导扩散率（RESID）超过布朗扩散率（BD）的优势导致RBC负载区域中的径向扩散速率比无细胞层中的径向扩散速率高10倍，这与微尺度颗粒的高边缘化倾向相关。这项工作捕获的颗粒尺寸依赖的过渡从布朗运动占主导地位的分散边缘使用统一的三维多尺度计算方法，并突出了径向分布的RESID和边缘的粒子在受限的血流之间的联系。
2019-10-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Playing with Active Matter
在过去的20年里，活性物质一直是一个非常成功的研究领域，它将非平衡态热力学的基础物理学与机器人、生物学和医学的应用联系起来。这个领域涉及主动粒子，与被动布朗粒子不同，它可以利用能量产生复杂的运动和新兴行为。大多数活性物质实验都是用微观粒子进行的，需要先进的微加工和显微镜技术。在这里，我们提出了一些宏观实验与活性物质采用市售的玩具机器人，即，六灵虫我们演示了如何可以很容易地修改，以执行定期和手性的积极布朗运动。我们还表明，Hexbugs可以与被动对象存在于他们的环境中，并根据他们的形状，设置它们的运动和旋转。此外，我们表明，通过在环境中引入障碍物，我们可以排序的机器人根据其运动性和手性。最后，我们证明了卡西米尔活动引起的平面物体之间的吸引力在环境中的活性粒子的存在下出现。
2022-09-09 cond-mat.soft physics.ed-ph
Dynamic Imaging of Au-nanoparticles via Scanning Electron Microscopy in a Graphene Wet Cell
液体环境中的高分辨率纳米成像对于研究生物和化学系统中的分子相互作用至关重要。特别是，电子显微镜是纳米级成像的黄金标准工具，但其高真空要求使应用于液体样品极具挑战性。在这里，我们提出了一种新的基于石墨烯的湿电池装置，其中可以直接在液体环境内进行高分辨率SEM（扫描电子显微镜）和能量色散X射线（EDX）分析。石墨烯是一种理想的膜材料，因为其高透明度，导电性和机械强度可以支持SEM的高真空和接地要求，同时实现最大的分辨率和信号。特别地，我们获得了在石墨烯湿电池内经历布朗运动的纳米颗粒的高分辨率（< 5 nm）SEM视频图像和在液体环境中的纳米颗粒组合物的EDX分析。我们获得的分辨率超过目前的传统氮化硅器件在更高的电子剂量下在SEM和TEM中成像。
2015-06-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Brownian motion near a soft surface
Univ. Bordeaux（波尔多大学）；Ecole Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris（巴黎综合理工学院，巴黎理工学院）；Cornell University（康奈尔大学）
本文研究软表面附近胶体的垂直布朗运动，结合软润滑、有效 Hamiltonian 与 Langevin 描述，揭示负附加质量、修正噪声及伪漂移，并通过模拟验证中间时间扩散不变。
2025-09-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Comparison of time reversal symmetric and asymmetric nano-swimmers oriented with an electric field in soft matter
使用分子动力学模拟，我们将基于珀塞尔建议的具有时间不对称循环的马达的纳米游泳者的运动与具有时间对称循环的相同分子马达的运动进行了比较。我们表明，珀塞尔定理仍然成立，在纳米尺度，尽管当地的结构和介质的波动。然后，为了确定游泳者位移的方向和增加定理的崩溃，我们研究了电场对这些游泳者的极化版本的影响。对于小的和大的领域，时间不对称的游泳者是更有效的，如珀塞尔建议的。然而，我们发现一个领域的范围，珀塞尔定理是打破的时间对称电机。结果表明，该定理的故障是由于竞争的方向场和布朗力，而对于较大的领域，该领域破坏的影响波动恢复定理。
2020-01-12 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Gate Electrodes Enable Tunable Nanofluidic Particle Traps
本文提出利用埋层栅电极对静电纳米流体陷阱进行实时调控，实验测得势能调制0.7k_BT、表面电势调制50 mV，并建立无参数模型复现实验结果，为实时可控纳米粒子陷阱开辟了新途径。
2023-09-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Enhanced diffusion over a periodic trap by hydrodynamic coupling to an elastic mode
本文提出一个最小模型，研究周期势中胶体粒子与弹性模式的流体动力学耦合，证明粒子晚期扩散系数随弹性模式柔顺性增大，并揭示软边界对微观输运的长期可测影响。
2025-02-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
