Активное броуновское движение кулоновских макрочастиц в плазме и сверхтекучем гелии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-12-00372

НазваниеАктивное броуновское движение кулоновских макрочастиц в плазме и сверхтекучем гелии

Руководитель Петров Олег Федорович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы

Ключевые слова Открытые и диссипативные системы, кулоновские структуры, неравновесные фазовые переходы, активные частицы, броуновское движение, потенциал взаимодействия, сверхпроводящие частицы, криогенные температуры, коллективное поведение, пылевая плазма

Код ГРНТИ29.27.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время хорошо изучены процессы, происходящие в замкнутых системах: фазовые переходы, термодинамика, процессы переноса. Между тем, подавляющее большинство объектов в природе являются открытыми системами, что делает их более сложными для изучения, поэтому термодинамика систем, далёких от равновесия, - активно развивающаяся область науки. Среди таких систем выделяются диссипативные системы [G. Nicolis, I. Prigogine, Self-Organization in Nonequilibrium Systems: From Dissipative Structures to Order through Fluctuations, Wiley (1977)]. Одно из самых интересных и практически значимых свойств открытых диссипативных систем – их способность к эволюции - самоорганизации, т.е. возможность при переходе некоторого параметра через пороговое (критическое значение) совершать качественный скачок, т.н. кинетический фазовый переход. Классические примеры – образование ячеек Бенара при нагреве жидкости, переход течения жидкости/газа из ламинарного режима в турбулентный, возникновение когерентного лазерного излучения и проч. [W. Ebeling, Strukturbildung bei irreversiblen Prozessen: Eine Einfuhrung in die Theorie dissipativer Strukturen, BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft (1976); ; Y.L. Klimontovich, Introduction to the physics of open systems, Yanus-K: Moscow (2002)]. В отличие от образования кристаллов в изолированных системах, происходящего при изменении температуры термостата, самоорганизация открытой системы может происходить при изменении внутренних параметров системы. Таким ключевым параметром зачастую является диссипативность системы [Jeremie Palacci, Stefano Sacanna, Asher Preska Steinberg, David J. Pine, Paul M. Chaikin, Science Vol. 339, Issue 6122, pp. 936-940 (2013); Yuta Komatsu and Hajime Tanaka, PRX 5, 031025 (2015)]. Эволюцию диссипативных структур принято характеризовать потоками энтропии, т.е. изменениями энтропии во времени, при этом баланс энтропийных потоков (производства энтропии и экспорта энтропии) определяет процессы самоорганизации в системе (ее эволюцию) [G. Nicolis, I. Prigogine, Self-Organization in Nonequilibrium Systems: From Dissipative Structures to Order through Fluctuations, Wiley (1977), W. Ebeling, A.Engel und R.Feistel, Physik Der Evolutionsprozesse (1990), M.V. Volkenstein, Entropy and Information (2009)]. В качестве отдельного класса открытых систем можно выделить системы так называемых активных броуновских частиц, т.е. частиц, способных преобразовывать энергию, получаемую извне, в собственную кинетическую энергию движения [C. Bechinger et al, Active Particles in Complex and Crowded Environments, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 88, (2016)], при этом самоподвижность (self-mobility) приводит к значительному увеличению коэффициента самодиффузии [ J. R. Howse et al. Self-Motile colloidal particles: From directed propulsion to random walk. Physical Review Letters, 99(4):048102 (2007)]. Примеры естественных ”активных броуновских частиц” – подвижные клетки [D. Selmeczi et al, The European Physical Journal Special Topics, 157(1):1–15, 2008] и многоклеточные живые организмы [N. Komin, U. Erdmann, and L. Schimansky-Geier, Fluctuation and Noise Letters, 4(1):L151–L159, 2004]. Диапазон искусственных активных частиц широк; в основном, это системы коллоидов с химически активной поверхностью [J. R. Howse et al. Self-Motile colloidal particles: From directed propulsion to random walk. Physical Review Letters, 99(4):048102 (2007); R. Golestanian, T.B. Liverpool, A. Ajdari, Designing phoretic micro- and nano-swimmers, New Journal of Physics 9, 126 (2007)], перспективным является также изучение активных наночастиц [W. F. Paxton et al, Journal of the American Chemical Society, 126(41):13424–13431 (2004)]. Исследование самоорганизации в системах активных частиц в последние годы вызывает особенный интерес. Так, актуальной является задача оптимизации транспортных процессов в активных средах [Kejia Chen, Bo Wang and Steve Granick, Nat. Mater. 14, 589 (2015)]. Сферы применения активных броуновских частиц разнообразны: например, разрушение вредных веществ в окружающей среде, контроль потоков вещества в миниатюрных устройствах типа ”lab- on-a-chip”, адресная доставка лекарств или микроустройств к больным органам [S.J. Ebbens, Current Opinion in Colloid & Interface Science, V. 21, pp. 14–23 (2016)]. При разработке каталитических нано- и микромоторов необходима информация о способах управления их движением, равно как и о влиянии формы и материала поверхности частиц на их коллективное поведение [Krishna Kanti Dey, Flory Wong, Alicia Altemose, Ayusman Sen, Current Opinion in Colloid & Interface Science 21, 4–13 (2016)]. В настоящее время неравновесные фазовые переходы в системах активных броуновских частиц исследуются также аналитически и численно [Alexandre P. Solon et al, Phys. Rev. Lett. 114, 198301 (2015); Joakim Stenhammar et al, Phys. Rev. Lett. 111, 145702 (2013)]. Среди активных систем следует отметить такие системы, как микроводоросли, которые являются основой биотехнологий для их энергетического применения, в частности биомасса высокоурожайных водорослей является перспективным нетрадиционным сырьем для биоэнергетики, в том числе для получения из нее энергии и моторного топлива [Н.И. Чернова , ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА, №6, с. 14–21 (2014)]. Однако подавляющее большинство активных броуновских частиц, изучаемых в настоящее время – слабовзаимодействующие между собой объекты. Между тем, исследование динамики и эволюции систем сильновзаимодействующих активных частиц (Strongly Coupled Active Matter) и способов управления ими – задача, интересная с фундаментальной и практической точки зрения. Движение активных броуновских частиц представляет собой комбинацию тепловых флуктуаций и направленного движения, что приводит всю систему в состояние, далёкое от равновесия. Поэтому такие системы могут представлять собой лабораторные модели для задач неравновесной физики. При определённых условиях (в результате специфических фазовых переходов) поведение этих систем сильно отличается от термодинамически изолированных: в них появляется способность к эволюции, самосборке, проявлению разнообразных коллективных явлений (образованию роев (swarming) [T. Vicsek, T. et al . Novel type of phase transition in a system of self-driven particles, Physical Review Letters. 75 (6): 1226–1229 (1995)]). Управление динамикой и фазовыми состояниями таких систем играет важную роль при проектировании новых ”интеллектуальных” устройств и материалов. В рамках данного проекта планируется впервые теоретически и экспериментально изучить динамику открытых диссипативных систем кулоновских макрочастиц путём анализа среднеквадратичного и линейного смещения частиц в таких структурах, а также восстановить эффективный потенциал взаимодействия между частицами. Линейное смещение или длина хаотизации или persistence length [C. Bechinger et al, Active Particles in Complex and Crowded Environments, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 88, (2016)] в системах активных частиц характеризует влияние активности на броуновское движение, которое может проявлять аномальный характер [J. R. Howse et al. Self-Motile colloidal particles: From directed propulsion to random walk. Physical Review Letters, 99(4):048102 (2007)]. Будет также изучена эволюция плазменно-пылевых структур , в том числе кинетические фазовые переходы, при кинетическом нагреве (увеличении кинетической энергии хаотического движения) пылевых частиц при воздействии на них лазерного излучения. Планируется исследовать частицы различной формы и различных материалов (с отличающимися оптическими свойствами при воздействии лазерного излучения, вызывающего активное движение частиц). Для экспериментального исследования эволюции открытых диссипативных структур кулоновских макрочастиц нами будут использоваться два типа структур: 1) формируемые заряженными частицами микронных размеров в низкотемпературной плазме и 2) формируемые заряженными сверхпроводящими частицами в статических магнитных ловушках в объеме сверхтекучего гелия, также будет изучаться броуновское движение частиц на поверхности сверхтекучего гелия. Отметим, что экспериментальное изучение сильновзаимодействующих активных броуновских частиц в пылевой плазме до настоящего момента практически не проводилось. Таким образом, рассмотрение плазменно-пылевых систем как открытых диссипативных структур – пионерское направление исследования. Сформулированные в данной заявке задачи будут решаться впервые, все полученные результаты будут новыми.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.В. Васильева, О.Ф. Петров, М.М. Васильев Laser-induced melting of two-dimensional dusty plasma system in RF discharge Scientific Reports (Nature), - (год публикации - 2020)

2. Трухачев Ф.М., Васильев М.М., Петров О.Ф., Васильева Е.В. Microdynamic and thermodynamic properties of dissipative dust-acoustic solitons Journal of Physics A: Mathematical and General, - (год публикации - 2020)

3. Герасименко Н.В., Трухачев Ф.М., Гусаков Е.З., Симончик Л.В., Томов А.В. One-Dimensional Nonlinear Parametric Instability of Inhomogeneous Plasma: Time Domain Problem Nonlinear Phenomena in Complex Systems, Vol.24, No.3, pp. 272 - 279 (год публикации - 2021)
10.33581/1561-4085-2021-24-3-272-279

4. Файрушин И.И., Васильев М.М., Петров О.Ф. Effect of Laser Radiation on the Dynamics of Active Brownian Macroparticles in an Extended Plasma-Dust Monolayer Molecules, V.26, pp.6974-1-8 (год публикации - 2021)
10.3390/molecules26226974

5. Аркар Чжо, Васильев М.М., Петров О.Ф., Кононов Е.А., Трухачев Ф.М. Dynamics of Active Brownian Particles in Plasma Molecules, 26(3), pp. 561 (год публикации - 2021)
10.3390/MOLECULES26030561

6. Петров О.Ф., Болтнев Р.Е., Васильев М.М. Experimental evolution of active Brownian grains driven by quantum effects in superfluid helium Scientific reports, V.12, pp.6085 (год публикации - 2022)
10.1038/s41598-022-09523-z

7. Петров О.Ф., Стаценко К.Б., Васильев М.М. Active Brownian motion of strongly coupled charged grains driven by laser radiation in plasma Scientific reports, V.12, pp.8618 (год публикации - 2022)
10.1038/s41598-022-12354-7

Публикации