闪烁棘齿引起的集体定向运动.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,闪烁棘齿引起的集体定向运动,陈宏斌,内容安排,一、布朗马达：远离平衡的噪声输运,何为布朗马达,研究背景,产生定向输运的两个条件,两种基本棘齿模型,二、闪烁棘齿引起的集体定向输运,模型,研究结果,一、布朗马达：远离平衡的噪声输运,（,Brownian motors:noise transport far from equilibrium,）,Peter,Reimann,Physics Reports 361(2002),1.,何为布朗马达,存在定向输运的系统在物理上称为,棘齿系统,(ratchets),，在生物学上称为,分子马达,(molecular motors),。,确定性马达,(deterministic motors),：定向输运是由确定性外力引起,(,不含随机力,),。,布朗马达,(Brownian motors),：定向输运是由于随机涨落引起。,2.,研究背景,最早可追溯到热力学中有关,第二类永动机（单源热机）,的争论。,人们希望：系统可以自发从无序的涨落中获取能量并转化为有用的功。,最早关于棘齿效应的讨论来源于对热力学第二定律的理解，这在阿基米德,(,Archimede,),、赛贝克,(,Seebeck,),、麦克斯韦,(Maxwell),、居里,(Curie),等人的著作中零星可见但都没有进行专门的讨论。,Smoluchowski,假想实验,（,1912,年）,假想实验明显,违反了热力学第二定律,，是永动机的一种，因此,不可能实现,。,尽管系统存在非对称性（棘齿），但它并不足以引起定向转动。实际上，棘爪本身也处于小的热涨落环境中。整个系统（棘爪与叶片）都处于同一温度的热库中，平衡态使得系统的非对称性被抵消。,费曼棘齿,(Feynman Ratchets),近年来由于在生物学、物理实验等很多方面定向输运研究的进展使分子马达研究成为热点。,细胞内输运过程的研究，特别是分子马达与分子泵的生化问题直接推动了布朗马达的研究。,1986,年,Tsong,、,Astumian,与合作者用棘齿效应解释了有关生物实验，并将定向输运问题与分子泵联系起来。,3.,产生定向输运的两个条件,热平衡的破坏,在热平衡状态下，有定向运动意味着系统可以从单一热源吸收热量而转化为宏观运动的功。,某种对称性,(symmetry),的破缺,空间反演对称性,(spatial inversion symmetry),时间反演对称性,(time inversion symmetry),正向流,，,反向流,不同种类和尺寸的粒子会有不同的定向输运流和扩散速度。,应用于混合颗粒体系的分离。在用来进行,DNA,片断及细小颗粒体系的分离，达到了很好的效果。,4.,两种基本棘齿模型,一维模型：,过阻尼，忽略,x,的二阶倒数。,F,：负载力，在系统定向运动时等于零，用来研究系统的响应。,f(t,),：对势的调制参量。,y(t,),：系统受的外力。,(t),：噪声。,要产生定向流，必须有对称性产生破缺，根据对称性破缺的方式，将棘齿系统分成两类：,脉动棘齿,(pulsating ratchets),：非平衡扰动不影响势的空间周期性但令势随时间变化。（势显含时间，,y(t,)=0,）,倾斜棘齿,(tilting ratchets),：非平衡扰动虽然总平均为零，却带来了外加的驱动力。（外力显含时间，,f(t,)=0,）,两大类脉动棘齿：,a.,涨落势棘齿,(fluctuating potential ratchets),V(x,f(t,)=V(x)1+f(t),当 时，称为,开关棘齿,(on-off ratchets),，,或,闪烁棘齿,(flash ratchets),。,b.,行波势棘齿,(traveling potential ratchets),V(x,f(t,)=,V(x-f(t,),两大类倾斜棘齿,涨落力棘齿,(fluctuating force ratchets),y(t,),是随机的。,b.,摇摆棘齿,(rocking ratchets),y(t,),随时间周期变化。,摇摆棘齿在实验上较受重视，因为比较容易控制。,若,f(t,)=0,，,y(t,)=0,，则系统的非平衡条件必须来自于热源。,赛贝克棘齿,(,Seebeck,ratchets),温度,T,与空间坐标有关。,温度棘齿,(temperature ratchets),温度,T,与时间有关。,二、闪烁棘齿引起的集体定向运动,模型,模型的缘起：,FK,模型,当一个系统具有两个或两个以上相互竞争的空间尺度时，系统就存在空间调制结构，并存在一类复杂的结构相变，称为公度非公度相变,(commensurate incommensurate phase transition),，简称,CI,相变。,1938,年，,Y.I.Frenkel,与,T.Kontorova,提出了一个非常简单的一维模型：许多简谐耦合的粒子构成的链置于一个周期势场中，粒子间作用是最近邻的相互作用。,FK,模型无论从结构上还是从作用势的形式上都做到了最简单，且保留了尺度竞争的精髓,粒子间的间距和外势场的周期。,2.,研究结果,T-v,：闪烁周期,a-v,：弹簧自由长度,k-v,：弹簧耦合强度,-v,：黏滞系数,as-v,：非对称指数,n-v,：耦合粒子数,谢谢大家！,