色噪声作用下一氧化碳表面催化氧化反应体系的随机共振

研究了Pt(110)/CO+O₂表面催化氧化反应体系在一定温度条件下, 当CO气体偏压P_u在超临界Hopf分岔点附近被色噪声调制后的动力学行为. 通过计算机模拟观察到色噪声诱导的振荡和随机共振(stochastic resonance)现象, 探讨了色噪声强度和相关时间对随机共振行为的影响, 分析了体系对环境涨落的敏感性范围.     

合成基因网络中的内信号随机共振

研究了一个合成基因网络模型被噪声调控时的动力学行为. 通过计算机模拟发现了噪声诱导的振荡和随机共振现象(stochastic resonance), 并且发现存在一个最合适的噪声强度, 使得体系的有效振荡最容易出现. 还讨论了这种随机共振现象对基因体系的积极作用.     

肝细胞中环境噪声所诱导的双重随机共振

通过对老鼠单个肝细胞内的钙离子振荡动力学的研究, 发现受外在环境噪声的影响, 由噪声诱导出的胞内钙离子会产生相干振荡, 并且在两个不同的噪声强度处会观察到我们称之为双重随机共振(Stochastic bi-resonance, SBR)的现象. 另外, 比较来自细胞体系内部环境的噪声发现也会出现类似的现象. 这一发现将有助于我们进一步理解生命体系中钙离子信息复杂振荡现象的形成过程及其机理. 最后我们利用该动力学体系的分岔特性来解释双重随机共振现象的形成机制.     

复杂化学体系中非线性问题的理论研究

随着化学研究的对象向生命、纳米和表面等复杂反应体系的深入, 提出了非平衡、非线性和复杂性等深层次的科学问题. 结合我们对复杂化学体系中非线性问题的理论研究, 简要介绍了与之相关的若干前沿课题: 非线性态-态动力学, 复杂网络体系非线性化学动力学和介观化学体系非线性动力学. 这些问题的研究, 对于探索化学过程新的动力学规律, 开拓控制化学过程新的原理, 揭示生命体系中化学过程作用的新机制, 推动化学学科与生命、物理等其他学科的交叉渗透, 都将作出重要贡献.     

活性-非活性二元混合体系玻璃化转变的模耦合理论

Collective behaviours of active particle systems have gained great research attentions in recent years. Here we present a mode-coupling theory (MCT) framework to study the glass transition of a mixture system of active and passive Brownian particles. The starting point is an effective Smoluchowski equation, which governs the dynamics of the probability distribution function in the position phase space. With the assumption of the existence of a nonequilibrium steady state, we are able to obtain dynamic equations for the intermediate scattering functions (ISFs), wherein an irreducible memory function is introduced which in turn can be written as functions of the ISFs based on standard mode-coupling approximations. The effect of particle activity is included through an effective diffusion coefficient which can be obtained via short time simulations. By calculating the long-time limit of the ISF, the Debye-Waller (DW) factor, one can determine the critical packing fraction η_c of glass transition. We find that for active-passive (AP) mixtures with the same particle sizes, η_c increases as the partial fraction of active particle x_A increases, which is in agreement with previous simulation works. For system with different active/passive particle sizes, we find an interesting reentrance behaviour of glass transition, i.e., η_c shows a non-monotonic dependence on x_A. In addition, such a reentrance behaviour would disappear if the particle activity is large enough. Our results thus provide a useful theoretical scheme to study glass transition behaviour of active-passive mixture systems in a promising way.     

一氧化碳催化氧化过程中噪声和信号的协同效应

在合适的条件下 ,噪声和信号同时输入非线性体系统 ,其响应规律可以表现出协同效应 ,这就是所谓的随机共振 ,其中噪声起到积极作用 :提高信噪比 ,增加弱信号可测性 .以一氧化碳催化氧化表面反应为例 ,通过线性稳定性分析方法 ,研究了系统的稳定性问题 ,以及体系对外加噪声和信号的调制响应 ;通过数值模拟发现 ,当体系处于狭窄的双稳态区 ,或化学振荡区边缘时 ,噪声可以诱发态 态转变 ,发生随机共振现象 ,表现出比一维体系更丰富的动力学特征 .     

纳米尺度钯粒子表面一氧化碳氧化反应内噪声随机共振

在随机模型的基础上, 运用化学Langevin 方程、Poisson近似和精确随机模拟方法, 研究了内噪声对纳米(nm)尺度钯(Pd)粒子表面上一氧化碳(CO)催化氧化反应的影响. 在这类介观体系中, 由于显著内噪声的存在, 化学反应速率振荡具有随机性. 研究发现, 对于给定的CO偏压, 随着内噪声强度的改变, 随机振荡强度经过一个极大值, 从而证明了内噪声随机共振的存在. 这一现象表明, 合适的内噪声有利于反应速率振荡. 这种内噪声随机共振行为对外界参数(如CO偏压)具有稳定性(robust).     

介观化学体系中的动力学尺度效应

以生命和表面催化体系为对象,研究了介观化学体系中内涨落对体系非线性动力学行为的调控作用。内涨落可以诱导随机振荡,其强度在体系处于最佳尺度时会出现一个甚至多个极大值,并且在耦合体系中会得到进一步增强,表现为尺度共振效应、尺度选择效应和双重尺度效应,揭示了介观化学体系中尺度效应的新机制。     

介观振荡化学反应体系的内噪声随机共振

用化学Langevin方程研究了内噪声对介观振荡化学反应体系的影响.研究发现,在确定性体系处于定态条件下,内噪声可以导致体系振荡:随着内噪声强度的变化,诱导振荡信号的信噪比通过一个极大值,表明内噪声随机共振的出现;由于内噪声强度随着系统体积的变化而改变,因此,这一现象也证明了系统尺度共振,即最佳尺度效应的存在.     

Synchronization and coherence resonance in chaotic neural networks

Synchronization and coherence of chaotic Morris--Lecar (ML) neural networks have been investigated by numerical methods. The synchronization of the neurons can be enhanced by increasing the number of the shortcuts, even though all neurons are chaotic when uncoupled. Moreover, the coherence of the neurons exhibits a non-monotonic dependence on the density of shortcuts. There is an optimal number of shortcuts at which the neurons' motion is most ordered, i.e. the order parameter (the characteristic correlation time) that is introduced to measure the coherence of the neurons has a maximum. These phenomena imply that stochastic shortcuts can tame spatiotemporal chaos. The effects of the coupling strength have also been studied. The value of the optimal number of shortcuts goes down as the coupling strength increases.