Арки Эйлера и пружины Дуффинга размером в несколько нанометров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методами полноатомного компьютерного моделирования изучена молекулярная динамика стержнеобразных олигомеров N-изопропилметакриламида и спиралеобразных олигомеров пиридинфурана размером в несколько нанометров. Приведены примеры олигомеров, динамика которых при сжатии и растяжении аналогична динамике классических бистабильных конструкций типа арок Эйлера и осцилляторов Дуффинга. Определены критические значения силовых нагрузок, при которых происходит бифуркация динамических состояний олигомеров и динамика олигомеров становится бистабильной. Показано, что в области бистабильности олигомеры могут переходить в режим спонтанных вибраций, активированных тепловыми флуктуациями окружающей среды при комнатной температуре. Для режима спонтанных вибраций продемонстрирован эффект стохастического резонанса. Обсуждается возможность использования бистабильных олигомеров для детектирования единичных органических молекул в растворах.

Об авторах

В. А. Аветисов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Центр проектирования молекулярных машин

Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

А. М. Астахов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва

А. Ф. Валов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва

А. А. Маркина

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва

А. Д. Муратов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Центр проектирования молекулярных машин

Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

В. С. Петровский

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Центр проектирования молекулярных машин

Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

М. А. Фролкина

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; Центр проектирования молекулярных машин

Автор, ответственный за переписку.
Email: avetisov@chph.ras.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

Список литературы

  1. Peschot A. // Micromachines. 2015. V. 6. № 8. P. 1046.
  2. Dutreix C., Avriller R., Lounis B. et al. // Phys. Rev. Res. 2020. V. 2. № 2. P. 023268.
  3. Benda L., Doistau B., Rossi-Gendron C. et al. // Commun. Chem. 2019. V. 2. № 1. P. 1.
  4. Erbas-Cakmak S., Kolemen S., Sedgwick A. C. et al. // Chem. Soc. Rev. 2018. V. 47. P. 2228.
  5. Varghese S., Elemans J. A. A. W., Rowan A. E. et al. // Chem. Sci. 2015. V. 6. P. 6050.
  6. Shu T., Shen Q., Zhang X. et al. // Analyst. 2020. V. 145. № 17. P. 5713.
  7. Lemme M.C., Wagner S., Lee K. et al. // Research. 2020. V. 2020. P. 1.
  8. Zhang L., Marcos V., Leigh D.A. // PNAS. 2018. V. 115. № 38. P. 9397.
  9. Shi Z.-T., Zhang Q., Tian H. et al. // Adv. Intelligent Systems. 2020. V. 2. № 5. P. 1900169.
  10. Aprahamian I. // ACS Central Sci. 2020. V. 6. № 3. P. 347.
  11. Nicoli F., Paltrinieri E., Tranfić M. // Coord. Chem. Rev. 2021. V. 428. P. 213589.
  12. Evans D.J., Searles D.J. // Adv. Phys. 2002. V. 51. № 7. P. 1529.
  13. Seifert U. // Rep. Prog. Phys. 2012. V. 75. № 12. P.126001.
  14. Horowitz J.M., Gingrich T.R. // Nat. Phys. 2020. V. 16. № 1. P. 15.
  15. Ciliberto S. // Phys. Rev. X. 2017. V. 7. P. 021051.
  16. Wang G.M., Sevick E.M., Mittag E. et al. //Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 5. P. 050601.
  17. Jop P., Petrosyan A., Ciliberto S. // Europhys. Lett. 2008. V. 81. № 5. P. 50005.
  18. Vroylandt H., Esposito M., Verley G. // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 124. № 25. P. 250603.
  19. Аветисов В.А., Гольданский В.И. // УФН. 1996. Т. 166. № 8. С. 873.
  20. Avetisov V.A., Goldanskii V.I. // PNAS. 1996. V. 93. P. 11 435.
  21. Аветисов В.А. Гольданский В.И. // Хим. физика. 1997. Т. 16. № 8. С. 59.
  22. Аветисов В.А. // Хим. физика. 2003. Т. 22. № 2. С. 16.
  23. Arnold V.I. / Catastrophe Theory. Berlin-Heidelberg: Springer, 1984.
  24. Poston T., Stewart I. Catastrophe theory and its applications. Mineola, N.Y.: Dover Publication, 1996.
  25. Duffing G. Erzwungene schwingungen bei veranderlicher Eigenfrequenz und ihre technische Bedeutung. Sammlung Vieweg № 41–42. F. Vieweg & Sohn, 1918.
  26. Chaos / Eds. Korsch H.J., Jodl H.-J., Hartmann T. Berlin–Heidelberg: Springer, 2008. P. 157.
  27. Kramers H.A. // Physica. 1940. V. 7. № 4. P. 284.
  28. Benzi R., Sutera A., Vulpiani A. // J. Phys. A: Math. Gen. 1981. V. 14. № 11. P. L453.
  29. Benzi R., Parisi G., Sutera A. et al. // Tellus. 1982. V. 34. № 1. P. 10.
  30. Benzi R., Parisi G., Sutera A. et al. // SIAM J. Appl. Mathem. 1983. V. 43. № 3. P. 565
  31. Gammaitoni L., Haönggi P., Jung P. et al. // Rev. Modern Phys. 1998. V. 70. № 1. P. 223.
  32. Wellens T., Shatokhin V., Buchleitner A. // Rep. Prog. Phys. 2004. V. 67. № 1. P. 45.
  33. Baughman R.H., Cui C., Zakhidov A.A., Iqbal Z.r et al. // Science. 1999. V. 284. P. 1340.
  34. Fujii H., Setiadi A., Kuwahara Y. et al. // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. № 13. P. 133501.
  35. Huang K., Zhang S., Li J. et al // Microsystem Technol. 2019. V. 25. № 11. P. 4303.
  36. Ackerman M.L., Kumar P., Neek-Amal M. et al. // Phys. Rev. Lett. V. 117. № 12. P. 126 801.
  37. Hayashi K., Lorenzo S., Manosas M. et al. // Phys. Rev. X. 2012. V. 2. № 3. P. 031 012.
  38. Cecconi C., Shank E.A., Bustamante C. et al. // Science. 2005. V. 309. № 5743. P. 2057.
  39. Avetisov V.A., Markina A.A. Valov A.F. // J. Phys. Chem. Lett. 2019. V. 10. № 17. P. 5189.
  40. Avetisov V.A., Frolkina M.A., Markina A. et al // Nanomaterials. 2021. V. 11. P. 3264.
  41. Markina A., Muratov A., Petrovskyy V. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. P.2519.
  42. Convertine A.J., Ayres N., Scales C.W. et al. // Biomacromolecules. 2004. V. 5. № 4. P. 1177.
  43. Gao Y., Wei M., Li X. et al. // Macromol. Res. 2017. V. 25. № 6. P. 513.
  44. Kamath G., Deshmukh S.A., Baker G.A. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. V. 15. № 30. P. 12667.
  45. Jones R.A., Civcir P.U. // Tetrahedron. 1997. V. 53. № 34. P. 11529.
  46. Sahu H., Gupta S., Gaur P. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. № 32. P. 20647.
  47. Berendsen H.J.C., Grigera J.R., Straatsma T.P. // J. Phys. Chem. 1987. V. 91. № 24. P. 6269.
  48. Abraham M.J., Murtola T., Schulz R. et al. // Software X. 2015. V. 1–2. P. 19.
  49. Kaminski G.A., Friesner R.A., Tirado-Rives J. et al. // J. Phys Chem. B. 2001. V. 105. № 28. P. 6474.
  50. Liang X., Nakajima K. // Macromol. Chem. Phys. 2018. V. 219. № 3. P. 1700394.
  51. Bussi G., Donadio D., Parrinello M. // J. Chem. Phys. 2007. V. 126. № 1. P. 014101.
  52. Avetisov V.A, Kuz’min V.V, Anikin S.A. // Chem. Phys. 1987. V. 112. № 2. P. 179.
  53. Lai Z., Leng Y. // Mech. Systems Signal Processing. 2016. V. 81. P. 60.

© В.А. Аветисов, А.М. Астахов, А.Ф. Валов, А.А. Маркина, А.Д. Муратов, В.С. Петровский, М.А. Фролкина, 2023