Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (3), 395-404.

Моделювання обернення руху броунівської частинки під дією нерівноважних флуктуацій



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.395

A. D. Terets, T. Ye. Korochkova, V. M. Rozenbaum, V. A. Mashira, I. V. Shapochkina, A. N. Furs, M. I. Ikim, V. F. Gromov

Анотація


Актуальним і важливим питанням при вивченні транспорту наночастинок є можливість і методи управління створюваними потоками. Одна з можливостей - використання ретчет-ефекту, а саме, виникнення направленого руху в результаті впливу нерівноважних флуктуацій різної природи при порушенні однієї або декількох симетрій в системі. Для реалізації ретчет-ефекту часто використовується детерміністичний дихотомний процес, який можна моделювати двома станами, що чергуються та характеризуються сталими характеристиками. Зазвичай основний фактор, що визначає напрямок руху броунівського мотора, - просторова асиметрія потенціального профілю. У певних випадках, наприклад, для двоямного потенціального профілю, можна відносно легко досліджувати умови, що викликають обернення напрямку руху мотора. У даній роботі, використовуючи ідею парадоксальних ігор Парондо з чергуванням стратегій гри так, що забезпечується середній виграш, проведено моделювання ретчет-ефекту для дифузійної стрибкової моделі адіабатичного броунівського мотора з асиметричним двоямним потенціалом on-off. Досліджено умови, що впливають на напрямок руху наночастинок, показано можливість температурного регулювання цього напрямку, отримано оцінку середньої швидкості броунівського мотора в адіабатичному наближенні. Проведено моделювання роботи мотора в термінах теорії ігор та отримано усереднені траєкторії накопичення капіталу, що відповідає траєкторіям середнього зміщення броунівської частинки в результаті роботи мотора. Для обраної моделі показано, що при низьких температурах частинка рухається праворуч у відповідності з найпростішою моделлю on-off ретчета, потім відбувається обернення руху, і при високих температурах частинка рухається вже ліворуч. Порівняння результатів моделювання зі швидкістю ретчета, отриманою в адіабатичному наближенні, показує, що адіабатичне наближення стає справедливим при досить великих значеннях часів життя станів дихотомного процесу, причому у високотемпературній області воно виявляється набагато точніше, ніж у низькотемпературній.


Ключові слова


дифузійний транспорт; броунівські мотори; ретчет-ефект; обернення руху; дихотомний процес; парадоксальні ігри Парондо

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


1. Gulyaev Yu.V., Bugaev A.S., Rozenbaum V.M., Trakhtenberg L.I. Nanotransport controlled by means of the ratchet effect. Physics-Uspekhi. 2020. 63: 311. [in Russian]. https://doi.org/10.3367/UFNe.2019.05.038570

2. Howard J. Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton. (Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2001).

3. Reimann P. Brownian Motors: Noisy Transport far from Equilibrium. Phys. Rep. 2002. 361(2-4): 57. https://doi.org/10.1016/S0370-1573(01)00081-3

4. Bressloff P.C., Newby J.M. Stochastic models of intracellular transport. Rev. Mod. Phys. 2013. 85:135. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.135

5. Chowdhury D. Stochastic mechano-chemical kinetics of molecular motors: A multidisciplinary enterprise from a physicist's perspective. Phys. Rep. 2013. 529: 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2013.03.005

6. Kolomeisky A.B. Motor Proteins and Molecular Motors. (Boca Raton FL: CRS Press, 2015). https://doi.org/10.1201/b18426

7. Hoffmann P.M. How molecular motors extract order from chaos (a key issues review) Rep. Prog. Phys. 2016. 79(3): 032601. https://doi.org/10.1088/0034-4885/79/3/032601

8. Cubero D., Renzoni F. Brownian Ratchets: From Statistical Physics to Bio and Nanomotors. (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2016). https://doi.org/10.1017/CBO9781107478206

9. Hänggi P., Marchesoni F. Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale. Rev. Mod. Phys. 2009. 81(1): 387. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.387

10. Schadschneider A., Chowdhury D., Nishinari K. Stochastic Transport in Complex Systems: From Molecules to Vehicles. (Amsterdam: Elsevier, 2010).

11. Chauwin J.-F., Ajdari A., Prost J. Force-free motion in Asymmetric structures: a mechanism without diffusive steps. Europhys. Lett. 1994. 27(6): 421. https://doi.org/10.1209/0295-5075/27/6/002

12. Rozenbaum V.M., Yang D.-Y., Lin S.H., Tsong T.Y. Catalytic Wheel as a Brownian Motor. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(40): 15880. https://doi.org/10.1021/jp048200a

13. Rozenbaum V.M. High-temperature brownian motors: Deterministic and stochastic fluctuations of a periodic potential. JETP Lett. 2008. 88(5): 342. https://doi.org/10.1134/S0021364008170128

14. Wu S.-H., Huang N., Jaquay E., Povinelli M.L. Near-field, on-chip optical Brownian ratchets. Nano Lett. 2016. 16(8): 5261. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02426

15. Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Trakhtenberg L.I. Green's function method in the theory of Brownian motors. Physics-Uspekhi. 2019. 62(5): 496. [in Russian]. https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.04.038347

16. Harmer G.P., Abbott D. Losing strategies can win by Parrondo's paradox. Nature. 1999. 402: 864. https://doi.org/10.1038/47220

17. Parrondo J.M.R., Harmer G.P., Abbott D. New paradoxical games based on Brownian ratchets. Phys. Rev. Lett. 2000. 85(4): 5226. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.5226

18. Parrondo J.M.R., Dinís L. Brownian motion and gambling: from ratchets to paradoxical games. Contemp. Phys. 2004. 45(2): 147. https://doi.org/10.1080/00107510310001644836

19. Derrida B. Velocity and diffusion constant of a periodic one-dimensional hopping model. J. Stat. Phys. 1983. 31(3): 433. https://doi.org/10.1007/BF01019492

20. Rozenbaum V.M. Constructive role of chaos: Brownian motors and winning strategies in game theory. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 100. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.100

21. Shved N.Yu., Shapochkina I.V., Rosenbaum V.M. Temperature motion reversion of the adiabatic Brownian motor. Vestnik BGU. 2014. 1(2): 27. [in Russian].

22. Astumian R.D., Hänggi P. Brownian motors. Thermal motion combined with input energy gives rise to a channeling of chance that can be used to exersise control over microscopic systems. Phys. Today. 2002. 55(11): 33. https://doi.org/10.1063/1.1535005

23. Rozenbaum V.M. Low-temperature operational regime of an adiabatic Brownian motor. Low Temperature Physics. 2014. 40(5): 604. [in Russian]. https://doi.org/10.1063/1.4876230

24. Hunt A.J., Gittes F., Howard J. The force exerted by a single kinesin molecule against a viscous load. Biophys. J. 1994. 67(2): 766. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(94)80537-5

25. Svoboda K., Block S.M. Force and velocity measured for single kinesin molecules. Cell. 1994. 77(5): 773. https://doi.org/10.1016/0092-8674(94)90060-4

26. Mogilner A., Mangel M., Baskin, R.J. Motion of molecular motor ratcheted by internal fluctuation and protein friction. Phys. Lett. A. 1998. 237(4-5): 297. https://doi.org/10.1016/S0375-9601(97)00821-9

27. Okada Y., Hirokawa N. Mechanism of the single-headed processivity: Diffusional anchoring between the K-loop of kinesin and the C terminus of tubulin. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000. 97(2): 640. https://doi.org/10.1073/pnas.97.2.640

28. Dekhtyar M.L., Ishchenko A.A., Rozenbaum V.M. Photoinduced molecular transport in biological environments based on dipole moment fluctuations. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(41): 20111. https://doi.org/10.1021/jp063795q

29. Okada Y., Hirokawa N. A Processive Single-Headed Motor: Kinesin Superfamily Protein KIF1A. Science. 1999. 283(5405): 1152. https://doi.org/10.1126/science.283.5405.1152




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.03.395

Copyright (©) 2020 A. D. Terets, T. Ye. Korochkova, V. M. Rozenbaum, V. A. Mashira, I. V. Shapochkina, A. N. Furs, M. I. Ikim, V. F. Gromov

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0