Пульсуючий броунівський мотор з плавними модельними потенціалами в наближенні малих флуктуацій

Анотація

Броунівські мотори належать до класу нанорозмірних пристроїв, які використовують тепловий шум середовища як одну з необхідних складових у механізмі свого функціонування. На сьогодні існує велика кількість практичних реалізацій таких наномашин, як неорганічних, достатньо простих механізмів, сконструйованих штучно, так і більш складних, створених з окремих біологічних компонентів, що доступні на клітинному рівні. Один із варіантів реалізації механізму випрямлення хаотичного теплового шуму середовища в однонаправлений рух - перебування частинки-мотора в полі дії асиметричного періодичного стаціонарного потенціалу, який періодично з часом зазнає певні малі збурення (флуктуації). Для опису таких асиметричних одновимірних структур (наприклад, дипольних ланцюжків або волокон цитоскелета) в теорії броунівських моторів найчастіше застосовується два модельні потенціали: кусково-лінійний пилоподібний і подвійний синусоїдальний. В даній роботі в рамках наближення малих флуктуацій розглядається модель пульсуючого броунівського мотора зі стаціонарним подвійним синусоїдальним потенціалом і збурюючим малим гармонійним сигналом. Запропоновано новий спосіб параметризації такої задачі, що дозволяє розділити вклади від різних факторів, що впливають на роботу ретчета, та уточнено чисельну процедуру розрахунку середньої швидкості направленого руху наночастинок для обраного виду модельних потенціалів. Отримано ряд чисельних залежностей середньої швидкості від основних параметрів системи. Досліджено особливості поведінки мотора в залежності від параметра, що відповідає за асиметрію та кількість потенціальних ям на просторовому періоді стаціонарного потенціалу. Показано, що напрямок згенерованого потоку наночастинок залежить не тільки від фазового зсуву між стаціонарною та флуктуаційною складовими потенціалу, а також від температури системи та частоти флуктуацій, тобто встановлено можливість температурно-частотного керування напрямком руху в розглядуваній моделі. Побудовано діаграми, що дозволяють підібрати співвідношення між параметрами наномотора для створення потоку частинок у потрібному напрямку.