Індекс рубрикатора НБУВ: Е0*725.111.32 + Г612.1

Рубрики:

Загальна біологія

Молекулярно-кінетичні та термодинамічні властивості дисперсних систем

Шифр НБУВ: Ж26988 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Теоретично досліджено фазову поведінку полідисперсних колоїдних і полімерних систем. Наведено аналітичні вирази для опису термодинамічних властивостей полідисперсних систем, сформульовані за допомогою моментів функції розподілу частинок, а також з використанням результатів розрахунку фазових діаграм та аналізу ефектів фракціонування частинок між співіснуючими фазами. Для полідисперсного випадку узагальнено окремі підходи статистичної теорії рідин. За допомогою узагальнених підходів досліджено двофазну рівновагу ряду модельних полідисперсних систем, які розподілено на такі класи: полідисперсні за розміром колоїдні системи, що моделюються твердими сферами з "багатоюкавівським" потенціалом взаємодії; полідисперсні за довжиною ланцюга полімерні суміші, які моделюються ланцюгами твердих сфер з взаємодією Юкави; колоїдно-полімерні суміші, в яких основним механізмом, відповідальним за фазовий перехід, є сили "збіднення" (depletion forces). Доведено, що узагальнені на полідисперсний випадок моделі належать до класу з "обрізаною" вільною енергією, термодинамічні властивості яких залежать від обмеженої кількості моментів функції розподілу частинок.

Проведено теоретичне дослідження різних моделей молекулярних моторів з метою виявлення факторів та механізмів, що впливають на перетворення різних видів енергії у механічу енергію приповерхневого руху наночастинок. Показано, що орієнтаційно-структурований адсорбат створює асиметричне електричне поле, необхідне для побудови молекулярного мотора, що генерує направлені потоки частинок уздовж поверхні. Розглянуто модель молекулярного мотора з мерехтливим пилкоподібним потенціалом і в аналітичному вигляді знайдено її основні характеристики: потік направленого руху частинок та ефективність перетворення енергії. У межах термодинаміки нерівноважних процесів проаналізовано ефективність роботи молекулярного мотора як функції ступеня зв'язку двох процесів, один з яких постачає енергію до системи, а інший - виводить її. Визначено фактори, що впливають на ефективність перетворення енергії, з використанням яких запропоновано модель молекулярного мотора з потенціалами, що зсуваються на півперіод, ефективність якої за певних умов наближається до одиниці. Для даної моделі знайдено точне аналітичне подання потоку частинок, що генерується мотором, встановлено його ефективності у випадку наявності у складі потенціального рельєфу елементів довільної форми, що повторюються та змінюються стрибкоподібно. Розроблено різновид методу тансфер-матриць для розрахунку основних характеристик мотора з періодичними неперервними потенціалами довільної форми, що дозволяє числово моделювати процеси масопереносу в реальних системах.

Індекс рубрикатора НБУВ: Г612.1

Рубрики:

Молекулярно-кінетичні та термодинамічні властивості дисперсних систем

Шифр НБУВ: Ж22412/а Пошук видання у каталогах НБУВ 

Вперше встановлено залежність форм спектрів релеївського розсіювання світла суспензією еліпсоїдальних броунівських частинок, розташованою у потоці з постійним градієнтом швидкості, від параметрів частинок і швидкості потоку. Розроблено новий метод калібрування дифузійних градієнтів, що дозволяє значно зменшити систематичні помилки вимірювань дифузійного МРТ-сигналу. Вперше охарактеризовано дифузійні процеси на мікроструктурному рівні за рахунок нового індексу анізотропії. Запропоновано використання цього індексу для удосконалення алгоритму визначення функції розподілу орієнтацій нервових волокон за допомогою методу сферичної деконволюції. Вперше визначено аномальні області білої та сірої речовини у пацієнтів з синдромом Туретта за допомогою даних дифузійно-тензорної візуалізації (ДТВ). Вперше показано, що зміни ДТВ параметрів у пацієнтів з синдромом Туретта корелюють з важкістю захворювання.

Висвітлено встановлення структури та термодинамічних властивостей сумішей вода - функціоналізовані одностінні вуглецеві нанотрубки та впливу на них макропараметрів. Методами динамічного розсіяння світла й оптичної мікроскопії показано, що у досліджених сумішах нанотрубки утворюють агрегати циліндричної форми. Встановлено геометричні характеристики даних агрегатів та їх залежність від температури, концентрації та часу з моменту виготовлення сумішей. Вперше запропоновано модель структури сумішей вода - функціоналізовані одностінні вуглецеві нанотрубки, що описує їх термодинамічні властивості. Оцінено максимальний вплив вуглецевих нанотрубок на термодинамічні властивості сумішей.

Розглянуто недавній вклад теоретичної, обчислювальної та експериментальної фізики у розуміння поведінки рідкокристалічних колоїдних систем скінченних розмірів, а також впорядкування колоїдних частинок на поверхнях розділу фаз. Порівняно теоретичні моделі, які застосовуються до вивчення коротко- та далекосяжних ефективних взаємодій, захоплення та впорядкування колоїдних частинок. Як приклад, поведінку сферичної колоїдної частинки на межі нематик - ізотропна рідина та ефективну взаємодію 2-х таких частинок пораховано числово в межах феноменологічної моделі Ландау - Де Жена.

В ході аналізу даних з дифузії колоїдних частинок, зазвичай, розраховується середнє значення квадрата зміщення частинки, що, у випадку аномальної дифузії броунівської частинки, зростає з часом повільніше (субдифузія) або швидше (супердифузія) в порівнянні з лінійною залежністю. Автокореляційна функція швидкості частинки, яка є безпосередньо зв'язаною з динамікою середовища, що призводить до аномальної дифузії, може бути одержана як друга похідна по часу від середнього квадрата зміщення. Показано, що автокореляційна функція середньої швидкості, одержана безпосередньо з траєкторії частинки, дає достатньо точну оцінку автокореляційної функції миттєвої швидкості частинки, якщо часовий інтервал дискретизації даних є набагато коротшим за час кореляції. Числовий аналіз проілюстровано на даних, одержаних із простої стохастичної моделі для супердифузії.

Індекс рубрикатора НБУВ: Г612.1 + Г713.6

Рубрики:

Молекулярно-кінетичні та термодинамічні властивості дисперсних систем

Властивості розчинів полімерів

Шифр НБУВ: Ж16425 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Досліджено перколяційні властивості рідинних нанокомпозитів, наповнених багатошаровими вуглецевими нанотрубками та неорганічними нанопластинками. Встановлено, що утворення перколяційного кластеру в нанокомпозитах, наповнених багатошаровими вуглецевими нанотрубками, відбувається за концентрації наповнювача (0,1 ÷ 0,2) % мас. Значення порога перколяції для нанокомпозитів сильно залежить від геометрії комірки та від ступеня агрегації. Показано, що наявність стабілізаторів в системі (таких як неорганічні нанопластинки лапоніту) чи функціоналізація поверхні нанотрубок призводить до зменшення електропровідності в порівнянні зі звичайними вуглецевими нанотрубками. Внесення вуглецевих нанотрубок до полімерної матриці має значний вплив на теплові характеристики системи. Збільшення концентрації вуглецевого наповнювача призводить до зміни температури та ентальпії плавлення, а також ступеня кристалічності нанокомпозитів.

Розвинуто теоретичні пiдходи до опису термодинамiчних властивостей анізотропних плинів та досліджено їх фазову поведінку в об'ємі та у невпорядкованому пористому середовищі. Розглянуто декiлька моделей анізотропних плинів (опуклі несферичні частинки, сфероциліндричні частинки) у невпорядкованому пористому середовищі. Зокрема, значну увагу придiлено анізотропним сфероциліндричним плинам. Для опису термодинамiчних властивостей таких систем отримано вiдповiднi аналітичні вирази на основi теорiї масштабної частинки (ТМЧ), яка була узагальнена на анізотропні плини. Показано, що результати узагальненої теорiї є у доброму якісному і кiлькiсному узгодженнi iз даними комп’ютерного моделювання. ТМЧ для анізотропних плинів в невпорядкованій матрицi використана в якостi системи вiдлiку в рамках теорiї збурень з метою вивчення фазових переходiв газ - рiдина - нематик і газ - нематик1 - нематик2. Представлено вдосконалену версію узагальненого рівняння Ван дер Ваальса для анізотропних плинів у невпорядкованих пористих матрицях. Дослiджено вплив невпорядкованого пористого середовища на фазову поведiнку цих плинiв. Показано, що зменшення пористостi пористого середовища спричинює пониження критичної температури та критичної густини, а також приводить до звуження областi спiвiснування газ - рідина на фазовiй дiаграмi. Показано вплив пористостi пористого середовища на ізотропно-нематичне та нематично-нематичне співіснування і виявлено, що пористе середовище може розширити ізотропно-нематичний фазовий перехід таким чином, що фазовий перехід газ - рідина зникає. Узагальнено теорію масштабної частинки на випадок несферичних опуклих частинок у невпорядкованому пористому середовищі. Для такої моделі досліджено вплив несферичності частинок плину і пористості пористого середовища на термодинамічні властивості такої системи. Узагальнено вплив притягання на анізотропний несферичний плин. Перевірено отримані результати з наявними результатами комп'ютерного моделювання для фазової поведінки твердосферного плину в матрицях різних розмірів. Представлено розробку теорії для опису анізотропних молекулярних плинів з анізометрією частинок, молекули яких характеризуються короткодіючою відштовхувальною взаємодією. Запропоновано узагальнення рівняння на анізотропні плини в пористих середовищах, яке базується на рівнянні стану твердих сфероциліндричних частинок у невпорядкованому пористому середовищі, отриманому в рамках теорії масштабної частинки. На основі отриманого рівняння проведено дослідження ізотропно-нематичної фазової поведінки молекулярних систем залежно від анізометрії молекул та пористості пористого середовища. Показано, що пористе середовище призводить до пониження густини ізотропно-нематичного фазового переходу. Узагальнено рівняння Ван дер Ваальса та досліджено фазову поведінку сфероциліндричних молекулярних плинів у невпорядкованому пористому середовищі. Досліджено вплив видовженості сфероциліндричних частинок на ізотропно-нематичне співіснування та показано, що збільшення видовженості частинок плину твердих сфероциліндрів приводить до появи нематично-нематичного фазового переходу. Проведено порівняння запропонованої моделі і отриманої в її рамках фазової діаграми з фазовими діаграмами, отриманими для розчинів поліпептидів полі (гамма-бензил-L-глутамату) (ПБЛГ) в диметилформаміді (ДМФА). Показано якісне узгодження отриманих результатів з експериментальними даними для розчинів поліпептидів в диметилформаміді (ДМФА).

Досліджено фазову поведінку, а також ефекти фракціонування між фазами частинок полідисперсних колоїдних і полімерних систем в об’ємі та у невпорядкованому пористому середовищі. Основною проблемою для теоретичного опису фазової поведінки полідисперсних сумішей є функціональна залежність вільної енергії Гельмгольца системи від функції розподілу за сортами. Як результат, умови фазової рівноваги формулюються як система нескінченної кількості рівнянь, тобто хімічний потенціал для кожного значення неперервного індексу сорту повинен бути однаковий в кожній співіснуючій фазі. Отримати розв’язок такої системи рівнянь для вільної енергії Гельмгольца довільної форми є практично неможливо. Узагальнено та застосовано схему, яка була розвинена для обчислення фазових діаграм полідисперсних сумішей, що описуються моделями обрізаної вільної енергії (ОВЕ), тобто моделями, вільна енергія Гельмгольца яких визначається скінченним числом узагальнених моментів функції розподілу за сортами. Остання особливість моделей з ОВЕ дозволяє сформулювати умови фазової рівноваги як систему скінченної кількості рівнянь для цих моментів. Використовуючи другий порядок термодинамічної теорії збурень Баркера - Хендерсона досліджено фазову поведінку колоїдної системи в об’ємі, що представлена полідисперсною сумішшю твердих сфер із взаємодією типу Морзе при високих ступенях полідисперсності з полідисперстю по енергії взаємодії, а також по розмірах частинок і енергії взаємодії одночасно. В топології двофазних діаграм, при високому ступені полідисперсності спостерігаються нові властивості: на додаток до звичайної критичної точки газ - рідина, з’являється друга критична точка, зумовлена полідисперсністю, відповідно криві хмари та тіні перетинаються двічі, і кожна з них утворює замкнену петлю, причому рідинна і газова гілки кривої хмари майже збігаються. При певному граничному значенні індексу полідисперсності криві хмари та тіні скорочуються і зникають. Також використовуючи високотемпературне наближення (ВТН) та середньосферичне наближення (ССН) аналогічну фазову поведінку отримано для іншої колоїдної системи, що представлена полідисперсною сумішшю твердих сфер з взаємодією Юкави з полідисперсністю по енергії взаємодії. Для останньої моделі вище цього граничного значення індексу полідисперсності і при нижчих температурах отримано трифазне співіснування. В загальному спостерігається добре узгодження між двома теоретичними наближеннями, ВТН та ССН. Підтверджено якісні передбачення для двофазного та трифазного співіснування, які були отримані раніше в рамках наближення ван дер Ваальса. Використовуючи поєднання ВТН та теорії масштабної частинки (ТМЧ) досліджено фазову поведінку останньої моделі, але в невпорядкованому пористому середовищі, яке представлене матрицею випадково розміщених твердосферних частинок. Запропоновано оригінальний метод аналітичного розрахунку радіальної функції розподілу твердосферної рідини в твердосферній матриці. Отримано подібну дво- та трифазну поведінку як і в об’ємному випадку, проте тоді ці фазові переходи були зумовлені зростанням полідисперсності, а тепер ще і завдяки характеристикам пористого середовища (зокрема густини матриці та відношення розмірів частинок матриці до розмірів частинок рідини). Тобто за рахунок матриці істотно збільшується ефект полідисперсності. Вперше показано, що пористе середовище при середніх полідисперсностях конкурує, а при великих — підсилює ефект полідисперсності. І наостанок, використовуючи поєднання ТТЗ Вертхейма та ТМЧ досліджено фазову поведінку полімерної системи, що представлена полідисперсною по довжині ланцюга сумішшю ланцюгових молекул з додатковою взаємодією квадратної ями, в невпорядкованому пористому середовищі. Показано, що для такої полімерної системи фазова поведінка системи визначається конкуренцією між полідисперсністю та властивостями пористого середовища. У той час як полідисперсність зумовлює розширення області фазового співіснування за рахунок підвищення критичної температури, пористе середовище зменшує значення як критичної температури, так і критичної густини, роблячи область фазового співіснування вужчою. Зі збільшенням відношення розмірів частинок рідини до розмірів частинок матриці цей ефект посилюється. Також збільшення середньої довжини ланцюга при фіксованих значеннях полідисперсності та густини матриці зміщує критичну точку до вищого значення температури та трохи меншої густини. Досліджено ефекти фракціонування частинок полідисперсних колоїдних та полімерних систем як в об’ємі, так і у пористому середовищі. Показано, що ступінь фракціонування залежить від температури. У всіх випадках частинки з більшими значеннями атрибуту полідисперсності (розміру, енергії взаємодії чи довжини ланцюга) фракціонують в високогустинну (рідку) фазу, а частинки з меншими значеннями — фракціонують в низькогустинну (газову) фазу.