有限時間尺度內(nèi)分子指向相關的不對稱自由擴散

1、有限時間尺度內(nèi)分子指向相關的不對稱自由擴散擴散現(xiàn)象是一種常見的物質(zhì)輸運現(xiàn)象。傳統(tǒng)經(jīng)典理論將擴散行為等效為目標顆粒在均勻連續(xù)分布的介質(zhì)中的動力學行為,通過建立這樣一個簡單的理論模型經(jīng)典擴散理論可以理解并推導得到目標顆粒在均勻連續(xù)分布介質(zhì)中擴散行為的規(guī)律。在宏觀尺度內(nèi)的,經(jīng)典擴散理論較好的符合真實的擴散現(xiàn)象,但在微觀尺度內(nèi),由于理論模型中均勻連續(xù)分布介質(zhì)的近似條件不再適用,所以使用與真實情況較接近的、基于分子運動論產(chǎn)生的熱力學統(tǒng)計方法來研究類似布朗運動的微觀尺度擴散行為。熱力學統(tǒng)計方法基于大量長時間樣本統(tǒng)計,雖然其基本思想是基于離散的分子運動論,但所使用的物理量通常都是大量樣本平均得到的與概率相關

2、的平均值,通過計算所能得到的結果也往往只限于跟概率相關的統(tǒng)計平均狀態(tài)量,得不到較真實的動力學過程細節(jié)。而在實際情況中,存在時間很短的擴散行為,例如分子在細胞之間的擴散,往往只有納米尺度,在納秒的時間內(nèi)就已經(jīng)完成,在這種情況下,無論是將環(huán)境近似為均勻連續(xù)介質(zhì)的經(jīng)典理論,還是基于大量樣本長時間平均統(tǒng)計的熱力學統(tǒng)計方法,在理解和分析短時間內(nèi)擴散行為的動力學細節(jié)方面,都存在適用性問題。本文從經(jīng)典分子動力學研究方法出發(fā),模擬并分析分子在短時間內(nèi)擴散行為的動力學細節(jié)信息。通過大量的計算模擬,發(fā)現(xiàn)在有限時間內(nèi),分子的擴散行為具有與其自身指向相關的不對稱現(xiàn)象。在基于分子自身結構的某一個方向上,相同時間間隔內(nèi)其

3、平均擴散距離要比其他方向上的平均擴散距離要遠。這樣的不對稱現(xiàn)象會隨著分子自身指向關聯(lián)的衰減不斷的積累,分子自身指向關聯(lián)衰減到零之后,平均擴散距離的不對稱現(xiàn)象不再積累,而是一直保持,但由于分子自身指向關聯(lián)衰減的很快（10ps量級）,在這樣短的時間內(nèi),分子擴散的距離并不是很遠（0.5nm量級）,所以平均擴散距離的不對稱現(xiàn)象積累的差值并不是很大（0.1nm量級）,這樣小的不對稱擴散行為差值相比隨著時間推移不斷增大的擴散距離來說,長時間后確實可以被近似忽略,這也就是經(jīng)典理論中沒有考慮分子指向得到的擴散理論仍能較好的符合宏觀擴散現(xiàn)象的原因,但在某些短時間擴散行為中,例如上文所提到的分子在細胞之間的擴散,

4、由于擴散距離只有納米量級,所以與分子指向相關的不對稱擴散差值相比而言具有不可忽視的比例（-10%）,所以在短時間的分子擴散行為中,分子指向相關的不對稱擴散現(xiàn)象不能象宏觀理論被近似忽略。通過進一步的分析研究發(fā)現(xiàn),這種在有限時間尺度內(nèi)分子指向相關的不對稱擴散現(xiàn)象發(fā)生的原因在于分子自身結構的不對稱。由于分子自身不對稱的結構,所以在不同方向上與周圍離散的介質(zhì)分子發(fā)生相互作用的情況不同,從而影響到分子在不同方向上擴散行為的不同。這也說明了近似分子為球形或質(zhì)點的宏觀經(jīng)典理論沒有得到不對稱擴散行為的原因,因為在短時間納米尺度下,分子自身結構不能被近似忽略。最后,通過對多種不同分子進行模擬統(tǒng)計,驗證了有限時間尺度內(nèi)分子指向相關的不對稱擴散現(xiàn)象的真實性,