Арки Эйлера и пружины Дуффинга размером в несколько нанометров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт 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