Обгрунтовано й апробовано на зразку монокристала германія можливість застосування комбінованого методу повної інтегральної відбивної здатності для діагностики сильно поглинаючих монокристалічних зразків, що містять порушений поверхневий шар та одночасно декілька визначальних типів мікродефектів.

Вивчено чутливість спектрально-кутових залежностей повної інтегральної відбивної здатності (ПІВЗ) монокристалів до одночасно присутніх у зразку випадково розподілених мікродефектів і порушеного поверхневого шару. Запропоновано метод поділу внесків у ПІВЗ кожного з цих двох типів дефектів і визначення характеристик порушеного поверхневого шару та випадково розподілених мікродефектів.

Запропоновано комбінований метод повної інтегральної відбивної здатності (ПІВЗ) для діагностики: декількох типів мікродефектів, одночасно присутніх в об'ємі монокристала, порушеного шару на поверхні ідеального монокристала (ППШ), а також ППШ і мікродефектів одного визначального типу, одночасно присутніх в монокристалі. Проведено узагальнення вказаних результатів на випадок, коли в зразку присутні як ППШ, так і одночасно декілька визначальних типів мікродефектів.

Проведено теоретичне дослідження різних моделей молекулярних моторів з метою виявлення факторів та механізмів, що впливають на перетворення різних видів енергії у механічу енергію приповерхневого руху наночастинок. Показано, що орієнтаційно-структурований адсорбат створює асиметричне електричне поле, необхідне для побудови молекулярного мотора, що генерує направлені потоки частинок уздовж поверхні. Розглянуто модель молекулярного мотора з мерехтливим пилкоподібним потенціалом і в аналітичному вигляді знайдено її основні характеристики: потік направленого руху частинок та ефективність перетворення енергії. У межах термодинаміки нерівноважних процесів проаналізовано ефективність роботи молекулярного мотора як функції ступеня зв'язку двох процесів, один з яких постачає енергію до системи, а інший - виводить її. Визначено фактори, що впливають на ефективність перетворення енергії, з використанням яких запропоновано модель молекулярного мотора з потенціалами, що зсуваються на півперіод, ефективність якої за певних умов наближається до одиниці. Для даної моделі знайдено точне аналітичне подання потоку частинок, що генерується мотором, встановлено його ефективності у випадку наявності у складі потенціального рельєфу елементів довільної форми, що повторюються та змінюються стрибкоподібно. Розроблено різновид методу тансфер-матриць для розрахунку основних характеристик мотора з періодичними неперервними потенціалами довільної форми, що дозволяє числово моделювати процеси масопереносу в реальних системах.

Показано, что во втором порядке теории возмущений по частотам, изменяющим знак потенциальной энергии на противоположный, направление скорости броуновской частицы определяется исключительно разностью этих частот, а величина скорости является монотонно убывающей функцией температуры. В случае флуктуаций потенциальной энергии не только по знаку но и по величине, могут возникать точки остановки мотора, вблизи которых изменяется направление движения, что может быть использовано для сегрегации наночастиц.

Рассмотрен дрейф броуновской частицы в периодическом потенциале подложки под действием продольной поверхности стационарной силы (пассивный транспорт) и переменной силы с нулевым средних значением (активный транспорт) при учете инерционных эффектов. Расчеты средней скорости и эффективного коэффициента диффузии показывают, что инерционные эффекты всегда уменьшают абсолютную среднюю скорость пассивного транспорта наночастиц (т.е. играют деструктивную роль), тогда как при активном транспорте могут увеличивать среднюю скорость и играть конструктивную роль в области высоких температур, когда тепловая энергия частицы превышает величину энергетического барьера приповерхностного потенциала.

The consideration covers the unidirectional motion of Brownian particles in a periodically switching on/off potential caused by the dipole chain of an orientationally structured adsorbate. A potential of this kind has been found to be well simulated by a saw-tooth potential. The analytic dependences of the unidirectional motion velocity on the model parameters have been derived, and the velocity has been estimated numerically for the optimal motion mode.

Рассмотрена модель молекулярного насоса, который вследствие флуктуаций внутримембранного потенциала создает направленное движение частиц через мембрану с заданными концентрациями на границах. Получено численное решение уравнений для потока частиц при стохастическом переключении двух пилообразных потенциалов. Также получена низкочастотная асимптотика, позволившая сравнить механизмы работы молекулярного насоса и мотора, функционирующего в аналогичных режимах флуктуаций.

Приведена модель броуновского мотора с флуктуирующим по знаку потенциальным профилем, описываемым кусочно-линейной периодической функцией, не относящейся к классам симметричных и антисимметричных функций. В приближениях малой инерции и адиабатичности флуктуаций показана чисто инерционная природа возникновения моторного эффекта, допускающего управление направлением движения посредством изменения значений параметра, характеризующего отклонение формы профиля от антисимметричного.

Разработана модель броуновского мотора с флуктуациями потенциального профиля пилообразной формы, представлены параметризация этого профиля, свойства симметрии и качественный анализ зависимостей средней скорости мотора от параметров модели. Предложена модификация пилообразного профиля, который не принадлежит к классу антисимметричных периодических функций и обеспечивает направленное движение инерционных частиц при флуктуациях знака потенциального профиля. Для этого случая получено аналитическое выражение для средней скорости мотора, из которого следует ее немонотонная зависимость от параметра, характеризующего отклонение формы профиля от антисимметричного. Показано, что направление движения может обращаться с изменением этого параметра.

Представлена теория инерционного возвратно-поступательного броуновского мотора, справедливая при произвольных массах частиц и частот дихотомных флуктуаций потенциальной энергии. Получено точное решение уравнения Клейна - Крамерса с флуктуирующими параболическими потенциалами для амплитуды возвратно-поступательного движения и средней скорости этого движения в состояниях дихотомного процесса. Показано, что учет инерции принципиально важен для получения корректных частотных зависимостей основных характеристик броуновского мотора.

В приближении малых флуктуаций потенциальной энергии получено общее аналитическое выражение для скорости броуновского мотора со стохастическими флуктуациями потенциальной энергии, которое конкретизировано для случая высоких температур. Рассчитана средняя скорость мотора с пилообразным стационарным потенциалом, претерпевающим флуктуации, гармонически зависящие от координаты. Показано, что средняя скорость мультипликативна по параметрам модели: она представляет собой произведение функций, зависящих от частоты флуктуаций и геометрических параметров потенциальных профилей. Продемонстрирована возможность управления направлением движения мотора путем варьирования фазового сдвига гармонических флуктуаций относительно пилообразного потенциала.

Сделан обзор кусочно-линейной аппроксимации потенциальных рельефов реально существующих и модельных наноустройств (броуновских моторов), выпрямляющих хаотическое броуновское движение в системах с нарушенной зеркальной симметрией под действием внешнего флуктуационного возмущения в отсутствие макроскопических движущих сил. Выведены соотношения, позволяющие проводить такую аппроксимацию.

Рассмотрено безинерционное движение броуновской частицы в потенциальном поле, задаваемом произвольной периодической функцией координаты и времени. Представлены первые члены разложения средней скорости частицы по малому параметру, равному отношению амплитуды изменения потенциальной энергии к тепловой энергии, то есть выражение для средней скорости высокотемпературного броуновского мотора. Его анализ выявил векторную, сдвиговую и скрытую пространственно-временную симметрию Куберо-Рензони (D.Cubero, F.Renzoni). Эти типы симметрии использованы для анализа пространственно-временных зависимостей потенциальной энергии, приводящих к отсутствию моторного эффекта. Исследованы дополнительные типы симметрии, присущие адиабатически медленным и быстрым броуновским моторам, и условия на потенциальную энергию, при которых средняя скорость этих моторов обращается в ноль.

Індекс рубрикатора НБУВ: В365.112

Рубрики:

Броунівський рух

Шифр НБУВ: Ж100480 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Стохастические неравновесные процессы могут выполнять роль движущей силы броуновского мотора. В этом случае наиболее простое описание возникающего направленного движения проводится в приближении малых изменений потенциальной энергии частицы по сравнению с тепловой энергией (высокотемпературное или низкоэнергетическое приближение). В этом приближении характеристики стохастического процесса входят в итоговые аналитические выражения для средней скорости получение этих корреляционных функций для марковских стохастических процессов общего вида. Рассмотрено кинетическое уравнение Паули, описывающее кинетику системы, состоящей из N состояний, в терминах заданных констант скоростей переходов. Общее решение этого уравнения, выражающееся через собственные значения и функции матрицы скоростей переходов, конкретизировано для случаев дихотомных флуктуаций (N = 2) и флуктуаций переходов из основного состояния в 2 симметричных возбужденных (N = 3). Для изучения влияние вида корреляционных функций на среднюю скорость броуновского мотора рассмотрен управляющий пространственно гармонический сигнал, при котором средняя скорость мотора пропорциональна корреляционной функции второго порядка. Введение дополнительного состояния позволило получить колоколообразную частотную зависимость средней скорости мотора, максимум которой и ширина колокола легко регулируются константами скоростей переходов и коэффициентом диффузии, зависящим от температуры, размера частицы и вязкости среды. Дихотомный процесс, являющийся частным случаем рассмотренной модели, характеризуется наибольшими значениями средней скорости движения. Трехуровневая модель предпочтительна, если требуется иметь более узкую ширину колоколообразной частотной зависимости.

Изучение симметрии различных систем позволяет формулировать широкие выводы относительно их свойств без детальной информации о конкретной системе. Модели броуновских моторов (рэтчетов) устанавливают связь между пространственно-временной зависимостью потенциальной энергии броуновских частиц и возникающим рэтчет-эффектом. Использована теория симметрии рэтчет-систем для исследования механизмов влияния пространственной и/или временной асимметрии наносистемы на среднюю скорость броуновских моторов двух основных типов - с флуктуирующей периодической потенциальной энергией и флуктуирующей силой (так называемых пульсирующих и наклонных рэтчетов, pulsating and forced ratchets). Рассмотрено сверхзатухающее движение броуновской частицы в несмещенном силовом поле, которое описывается периодической ступенчатой функцией координаты, претерпевающем дихотомные изменения со временем. Использование преобразований и свойств симметрии броуновских моторов позволило получить компактные аналитические представления средней скорости пульсирующих и наклонных рэтчетов как функции параметров пространственной и временной асимметрии силовых полей. Выявлено принципиальное различие зависимостей средней скорости броуновских моторов этих двух типов от данных параметров асимметрии. Для пульсирующих броуновских моторов направленное движение наночастиц отсутствует в пространственно-симметричной системе (ПСС) независимо от наличия временной асимметрии; направленное движение в таких системах возможно при наличии пространственной асимметрии, а получение точек остановки мотора при этом достигается путем подстройки параметра временной асимметрии управляющего процесса. Для наклонных броуновских моторов рэтчет-эффект в ПСС может возникать исключительно за счет временной асимметрии. По этой причине точки остановки как результат конкуренции пространственной и временной асимметрии легче реализуются именно для моторов с флуктуирующей силой (наклонных). Приведенные результаты получены на основании анализа только общих свойств симметрии, без привлечения скрытых симметрий рэтчет-систем, поэтому будут справедливы и для инерционной динамики.

Індекс рубрикатора НБУВ: В365.112

Рубрики:

Броунівський рух

Шифр НБУВ: Ж100480 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Актуальным и важным вопросом при изучении транспорта наночастиц является возможность и методы управления создаваемыми потоками. Одна из возможностей - использование рэтчет-эффекта (РЭ), а именно, возникновения направленного движения в результате воздействия неравновесных флуктуаций различной природы при нарушении одной или нескольких симметрий в системе. Для реализации РЭ часто используется детерминистический дихотомный процесс, который можно моделировать двумя чередующимися состояниями, имеющими постоянные характеристики. Обычно основной фактор, определяющий направление движения броуновского мотора (БМ), - пространственная асимметрия потенциального профиля. В определенных случаях, например, для двухъямного потенциального профиля, можно относительно легко исследовать условия, вызывающие обращение направления движения мотора. Используя идею парадоксальных игр Паррондо, состоящих в чередовании стратегий игры, обеспечивающей средний выигрыш, проведено моделирование РЭ для диффузионной прыжковой модели адиабатического БМ с асимметричным двухъямным потенциалом on-off. Исследованы условия, влияющие на направление движения наночастиц, показана возможность температурного регулирования этого направления, получена оценка генерируемой средней скорости БМ в адиабатическом приближении. Проведено моделирование работы мотора в терминах теории игр и получены усредненные траектории накопления капитала, что соответствует траекториям среднего смещения броуновской частицы при работе мотора. Для выбранной модели показано, что при низких температурах частица движется направо в соответствии с простейшей моделью on-off-рэтчета, тогда как при высоких температурах происходит обращение движения. Сопоставление результатов моделирования со значениями скорости рэтчета, полученными в адиабатическом приближении, показывает, что это приближение становится справедливым при достаточно больших значениях времен жизни состояний дихотомного процесса, причем в высокотемпературной области оно оказывается намного точнее, чем в низкотемпературной.

Ретчет-ефект - феномен виникнення направлених потоків наночастинок за допомогою введення в систему з просторовою та (або) часовою асиметрією нерівноважних флуктуацій. Він використовується як один із способів створення керованого нанотранспорту і є основою теорії броунівських моторів. Моделювання флуктуаційного руху - це перспективний спосіб числових розрахунків основних характеристик броунівських моторів, він надає можливість уникнути складних обчислень і швидко отримати прогнози щодо можливості або неможловості генерації направленого руху в конкретно обраній моделі. При моделюванні зазвичай нерівноважні флуктуації вводяться в систему за допомогою дихотомного процесу, який переключає 2 періодичні асиметричні потенціальні профілі через певні фіксовані проміжки часу (детерміністичний процес) або випадково, з середніми часами життя потенціалів (стохастичний процес). Досліджено моделювання процесу виникнення ретчет-ефекту в межах стрибкової моделі броунівського мотора методом парадоксальних ігор Паррондо для стохастичного дихотомного процесу та проведено порівняння з аналогічним детерміністичним процесом. Запропоновано методику розрахунку основних характеристик мотора для стохастичного дихотомного процесу та показано, що вона у граничних випадках відповідає аналітичному опису цієї моделі. Показано, що стохастичність процесу безпосередньо впливає на характеристики ретчет-ефекту: поведінка траєкторій середніх зміщень наночастинок набуває принципово іншого характеру, ніж в детерміністичному описі, причому значима відмінність у цих процесах проявляється за малих значень часів життя станів. Проведено дослідження несиметричних дихотомних процесів для різних температурних режимів роботи мотора, що надало можливість проаналізувати особливості виникнення направленого руху на рівні одиничних стрибків та сформулювати рекомендації щодо можливого покращання ефективності роботи мотора для різних температур: для високотемпературного режиму роботи доцільно скорочувати час життя стану з включеним потенціалом, а для низькотемпературного режиму його, навпаки, потрібно збільшувати.