Написати автору Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.124
Анотація
Виведено симетрійні умови виникнення ретчет-ефекту в броунівських фотомоторах. Із цією метою операції просторово-часової симетрії при векторних перетвореннях, зсувах координат і часу та в режимі надзатухання застосовувалися до середньої швидкості фотомотора, що розглядалася як функціонал потенціальної енергії, залежної від координати й часу. Встановлено, що окремі броунівські частинки (молекули) можуть рухатися спрямовано лише за умови флуктуацій у них симетрично розподіленого заряду і їхнього розміщення на підкладках із антисиметричним розподілом заряду, або, навпаки, вони характеризуються флуктуаціями антисиметрично розподіленого заряду і розміщуються на симетричних підкладках. Колективний спрямований рух усереднених за орієнтаціями частинок можливий лише в першому випадку. Якщо розподіл заряду частинок описується залежністю від часу з універсальним типом симетрії (тобто одночасно симетричною, антисиметричною та зсувно-симетричною), виникає додаткове симетрійне обмеження функціонування ретчета: ретчет-ефект унеможливлюється в режимі надзатухання, але допускається для інерційних рухомих частинок, якщо розподіл заряду як у частинці, так і в підкладці не є ані симетричним, ані антисиметричним.
Ефект універсального типу симетрії ілюструється на прикладі дипольних фотомоторів, отриманих із донорно-акцепторних супряжених органічних молекул. При особливому типі молекулярного фотозбудження та особливому співвідношенні дипольних моментів у основному та збудженому станах ретчет-ефект стає забороненим за симетрією. Заборону можна усунути за допомогою ефектів молекулярної поляризації, які в цьому випадку стають переважаючим фактором, що визначає напрямок руху та середню швидкість фотомоторів. Оцінені швидкості поляризаційних фотомоторів на порядок більші, ніж для відомих моторних білків і дипольних броунівських фотомоторів. Ці результати можуть бути корисними у цілеспрямованому молекулярному дизайні дипольних фотомоторів.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Huxley F. Muscle structure and theories of contraction. Prog. Biophys. Biophys. Chem. 1957. 7: 255. https://doi.org/10.1016/S0096-4174(18)30128-8
Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics. (Addison-Wesley: Reading, 1963).
Quastel J.H. Molecular transport at cell membranes. Proc. R. Soc. 1965. B 163: 169. https://doi.org/10.1098/rspb.1965.0065
Sauvage J.-P., Dietrich-Buchecker C. (Eds.). Molecular Catenanes, Rotaxanes and Knots: A Journey through the World of Molecular Topology. (Wiley-VCH: Weinheim, 1999). https://doi.org/10.1002/9783527613724
Michl J., Sykes E.C.H. Molecular rotors and motors: recent advances and future challenges. ACS Nano. 2009. 3(5): 1042. https://doi.org/10.1021/nn900411n
Deng H., Olson M.A., Stoddart J.F., Yaghi O.M. Robust dynamics. Nat. Chem. 2010. 2: 439. https://doi.org/10.1038/nchem.654
Kudernac T., Ruangsupapichat N., Parschau M., Macia B., Katsonis N., Harutyunyan S.R., Ernst K.-H., Feringa B.L. Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. Nature. 2011. 479: 208. https://doi.org/10.1038/nature10587
Peplow M. The tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, switches and pumps. Nature. 2015. 525: 18. https://doi.org/10.1038/525018a
Lau B., Kedem O., Schwabacher J., Kwasnieski D., Weiss E.A. An introduction to ratchets in chemistry and biology. Mater. Horiz. 2017. 4: 310. https://doi.org/10.1039/C7MH00062F
Jülicher F., Ajdari A., Prost J. Modeling molecular motors. Rev. Mod. Phys. 1997. 69(4): 1269. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.69.1269
Astumian R.D. Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science. 1997. 276(5314): 917. https://doi.org/10.1126/science.276.5314.917
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
Krishnan R., Mahato M.C., Jayannavar A.M. Brownian rectifiers in the presence of temporally asymmetric unbiased forces. Phys. Rev. E. 2004. 70: 021102. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.70.021102
Hänggi P., Marchesoni F. Artificial Brownian motors: Controlling transport on the nanoscale. Rev. Mod. Phys. 2009. 81: 387. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.387
Cubero D., Renzoni F. Brownian Ratchets: From Statistical Physics to Bio and Nano-motors. (Cambridge: Cambridge University Press, 2016). https://doi.org/10.1017/CBO9781107478206
José Antonio Fornés Principles of Brownian and Molecular Motors. (Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-64957-9
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
Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M. Nonequilibrium molecular transport photoinduced by potential energy fluctuations. J. Chem. Phys. 2011. 134(4): 044136. https://doi.org/10.1063/1.3544219
Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M. Symmetry interplay in Brownian photomotors: From a single-molecule device to ensemble transport. J. Chem. Phys. 2012. 137(12): 124306. https://doi.org/10.1063/1.4754274
Rozenbaum V.M., Dekhtyar M.L., Lin S.H., Trakhtenberg L.I. Photoinduced diffusion molecular transport. J. Chem. Phys. 2016. 145(6): 064110. https://doi.org/10.1063/1.4960622
Denisov S., Flach S., Hänggi P. Tunable transport with broken space-time symmetries. Phys. Rep. 2014. 538: 77. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2014.01.003
Cubero D., Renzoni F. Hidden symmetries, instabilities, and current suppression in Brownian ratchets. Phys. Rev. Lett. 2016. 116(1): 010602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.010602
Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. Symmetry of pulsating ratchets. JETP Lett. 2018. 107: 506. https://doi.org/10.1134/S0021364018080039
Rozenbaum V.M., Shapochkina I.V., Teranishi Y., Trakhtenberg L.I. Symmetry of deterministic ratchets. Phys. Rev. E. 2019. 100(2): 022115. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.022115
Ikim M.I., Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M., Bugaev A.S., Trakhtenberg L.I. Symmetry of Brownian photomotors. Russ. J. Phys. Chem. B. 2020. 14: 332. https://doi.org/10.1134/S1990793120020074
Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M. Symmetry rules for Brownian photomotors. MATCH Commun. Math. Comput. Chem. 2014. 71: 609.
Rozenbaum V.M. High-temperature Brownian motors: Deterministic and stochastic fluctuations of a periodic potential. JETP Lett. 2008. 88: 342. https://doi.org/10.1134/S0021364008170128
Abe J., Shirai Y., Nemoto N., Nagase Y. Manipulation of dipole moment and hyperpolarizability based on heterocyclic pyridinium betaine structures: ab initio and INDO/S MO calculations. J. Phys. Chem. B. 1997. 101(10): 1910. https://doi.org/10.1021/jp962157c
Pawlowska Z., Lietard A., Aloïse S., Sliwa M., Idrissi A., Poizat O., Buntinx G., Delbaere S., Perrier A., Maurel F., Jacques P., Abe J. The excited state dipole moments of betaine pyridinium investigated by an innovative solvatochromic analysis and TDDFT calculations. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. 13(29): 13185. https://doi.org/10.1039/c1cp20920e
Dekhtyar M.L., Rozenbaum V.M., Trakhtenberg L.I. Polarization effects in organic dipole photomotors. Theor. Exp. Chem. 2019. 55: 232. https://doi.org/10.1007/s11237-019-09613-6
AMPAC 6.0 and AMPAC 6.55. (Shawnee, KS: Semichem, Inc., 1997).
Svoboda K., Schmidt C.F., Schnapp B.J., Block S.M. Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry. Nature. 1993. 365: 721. https://doi.org/10.1038/365721a0
Astumian R.D., Bier M. Fluctuation driven ratchets: Molecular motors. Phys. Rev. Lett. 1994. 72(11): 1766. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.1766
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.124
Copyright (©) 2021 M. L. Dekhtyar, V. M. Rozenbaum, N. G. Shkoda, M. I. Ikim
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.