空间非均匀摩擦棘轮的输运性能

本文研究了耦合布朗粒子在空间非均匀摩擦环境下的定向输运问题,并进一步讨论了摩擦系数振幅、空间相位差等因素对耦合粒子质心平均速度及能量转化效率的影响.研究发现,耦合粒子的质心平均速度和能量转化效率随摩擦系数振幅的变化都能呈现多峰结构.这一结果表明摩擦阻尼并不总是阻碍布朗粒子的定向运动,一定条件下合适的摩擦环境还能多次增强耦合布朗棘轮的输运性能.此外,在小摩擦系数振幅条件下通过改变外力振幅、外势不对称度、空间相位差还能诱导摩擦棘轮流反转的产生.本文所得结论不仅有助于理解摩擦环境中耦合布朗粒子的输运性能,还可为微观纳米机器的设计与粒子的筛选分离技术提供理论指导.     

反馈控制棘轮的定向输运效率研究

研究了反馈耦合布朗棘轮中粒子处于负载力、时变外力及噪声作用下的定向输运问题.详细讨论了外力作用时间的不对称性、外势空间的不对称性及外力周期等对反馈耦合棘轮中粒子输运效率的影响.研究发现,外力的时间不对称度能促进反馈棘轮中粒子的定向输运,随时间不对称度的增大,反馈棘轮中粒子能获得较大的效率.然而,外势空间的不对称度能有效抑制耦合棘轮中粒子的扩散,达到增强耦合粒子定向输运的效果.同时还发现,存在最优的噪声强度能使耦合粒子的输运效率达到最大.     

非保守力作用下二维耦合布朗粒子的定向输运

本文主要研究二维耦合布朗粒子在非保守外力作用下的定向输运问题.研究发现,非保守外力有促进二维耦合棘轮定向输运的效果.同时,在保守力(弹簧弹力)和非保守外力的相互协作与竞争中耦合布朗粒子的反向输运能够获得增强.特别地,随着弹簧原长或弹性系数的改变,二维耦合布朗粒子的定向运动都能够产生反向,这意味着耦合作用能够诱导二维布朗棘轮流反转的产生.实验上,通过选取不同种类的外力(保守力及非保守力),能够对二维耦合布朗粒子的分离技术提供新的方案.     

摩擦不对称耦合布朗马达的定向输运

本文研究了耦合布朗马达在溶液摩擦对称性破缺条件下的定向输运问题.详细讨论了溶液阻尼系数比,周期外力以及耦合作用对布朗粒子定向输运的影响.研究发现:溶液摩擦的不对称性不仅能促进摩擦棘轮的定向输运,且合适的溶液阻尼系数比还可以使耦合棘轮的定向输运达到最强.此外,一定摩擦阻尼条件下外力振幅可以使耦合粒子的定向输运呈现多峰结构.研究还发现合适的自由长度和耦合强度也能增强摩擦棘轮的输运特性.研究结果不仅能够启发实验上选取合适的摩擦阻尼来优化布朗马达的输运,也可为信息容量大、反应速度快的纳米器件的制备提供一定的理论参考.     

反馈脉冲棘轮的能量转化效率研究

研究了反馈脉冲棘轮的定向输运及能量转化效率.详细讨论了弹簧自由长度、耦合强度及脉冲相位等参量对耦合布朗粒子定向输运性能的影响.研究发现,一定自由长度和耦合强度都能促进反馈脉冲棘轮的定向输运,并能使耦合粒子拖动负载做功时的能量转化效率达到最大.此外,通过调节脉冲相位能使反馈棘轮在一个演化周期内获得两次流反转,且合适的相位还能增强反馈棘轮的定向输运.所得结论不仅可为实验上设计合适的反馈脉冲作用来优化棘轮的定向输运性能,而且还能为生物医疗上药物的精准投放提供一定的理论参考.     

粗糙势中耦合布朗粒子的定向输运性能

研究了粗糙棘轮中耦合粒子的定向输运行为,并进一步讨论了阻尼条件下粗糙棘轮的扰动振幅、扰动波数、粒子间的耦合强度及自由长度等因素对耦合布朗粒子质心平均速度及斯托克斯效率的影响.研究发现,合适的粗糙棘轮扰动振幅和扰动波数能促进耦合布朗粒子的定向输运,同时还能增强其斯托克斯效率.此外,合适的耦合强度和自由长度还能使粗糙棘轮的输运性能达到最强.还发现小扰动振幅条件下,通过改变耦合强度和自由长度能够诱导粗糙棘轮的流反转.通过研究更具实际意义的粗糙棘轮,本文所得结论能为实验上理解分子马达的运动行为提供理论指导,还可为纳米量级分子机器的设计及粒子分离技术的实现提供实验启发.     

温度反馈控制棘轮的最优控制

基于Cao的误差棘轮模型,通过引入温度因子进一步对反馈棘轮实施控制.本文详细讨论了温度因子、温度相位差和温度频率对耦合布朗粒子定向输运的影响.研究发现,温度因子并不总是减小温度反馈棘轮的定向输运,这意味着在一定条件下温度因子还可以增强反馈棘轮的定向输运.此外,在小温度振幅范围内耦合粒子的质心平均速度和Pe数随温度频率的变化都呈多峰结构.这一结果表明,合适的温度变化频率能够使反馈棘轮的定向输运获得多次的增强.本文所得结论不仅能够启发实验上通过选取合适的温度反馈信息来优化布朗棘轮的定向输运,还可为实验上的数据分析与处理特别是误差分析提供理论参考.     

过阻尼布朗棘轮的斯托克斯效率研究

根据随机能量理论解析得到阻尼环境中布朗粒子的概率流和斯托克斯效率,并进一步研究布朗粒子的输运性能.详细讨论了空间的不对称性、外偏置力及外势结构等对棘轮定向输运的影响.研究发现,合适的外偏置力能使棘轮的定向输运达到最强.通过调节外势的不对称性可使棘轮中粒子的运动反向,当选择合适的空间不对称性时布朗粒子的反向输运可获得最强.此外,一定条件下合适的外势高度也能增强棘轮输运,且能使粒子克服黏滞阻力的斯托克斯效率达到最大.所得结论能够启发实验上设计合适的外势及外偏置来优化布朗棘轮的定向输运性能,并为生物纳米器件的研制提供一定的理论参考.     

分数阶非对称耦合系统在对称周期势中的定向输运

在没有外力且周期势对称的情况下,对非对称耦合粒子链的运动,以具备更强刻画能力的分数阶微积分理论建立了分数阶模型,对其定向输运现象进行针对性研究,采用分数阶差分法进行数值求解并分析系统参数对定向输运速度的影响.相应仿真表明,分数阶非对称耦合系统在没有外力和噪声驱动的情况下仍能产生定向输运,且输运速度随阶数的增大而增大;当阶数固定时,粒子链平均速度随耦合强度和势垒高度非单调变化;当系统存在噪声时,粒子链平均速度出现了广义随机共振现象,且通过调节其他参数,可使得系统对噪声免疫甚至使噪声促进定向输运.     

内部棘轮

建立了一个内部棘轮模型,即将一个自由系统耦合到一个具有非对称周期结构的亚系统上,而后者处于一个热浴环境之中.计算了一个周期信号以两种方式驱动粒子的平均速度,并与相同参数下外部棘轮的结果进行了比较.结果表明,内部棘轮中的粒子定向流的极大值大于外部棘轮的;在相同温度下,内部棘轮中粒子更容易产生定向运动.     

Directed transport of coupled Brownian ratchets with time-delayed feedback

A time-delayed feedback ratchet consisting of two Brownian particles interacting through the elastic spring is consid ered. The model describes the directed transport of coupled Brownian particles in an asymmetric two-well ratchet potential which can be calculated theoretically and implemented experimentally. We explore how the centre-of-mass velocity is af fected by the time delay, natural length of the spring, amplitude strength, angular frequency, external force, and the structure of the potential. It is found that the enhancement of the current can be obtained by varying the coupling strength of the delayed feedback system. When the thermal fluctuation and the harmonic potential match appropriately, directed current evolves periodically with the natural length of the spring and can achieve a higher transport coherence. Moreover, the external force and the amplitude strength can enhance the directed transport of coupled Brownian particles under certain conditions. It is expected that the polymer of large biological molecules may demonstrate a variety of novel cooperative effects in real propelling devices.     

Feedback control in a coupled Brownian ratchet

On the basis of the double-well ratchet potential which can be calculated theoretically and implemented experimentally, the influences of the time delay, the coupling constant, and the asymmetric parameter of the potential on the performance of a delayed feedback ratchet consisting of two Brownian particles coupled mutually with a linear elastic force are investigated. The centre-of-mass velocity of two coupled Brownian particles, the average effective diffusion coefficient, and the Pe number are calculated. It is found that the parameters are affected by not only the time delay and coupling constant but also the asymmetric parameter of the double-well ratchet potential. It is also found that the enhancement of the current may be obtained by varying the coupling constant of the system for the weak coupling case. It is expected that the results obtained here may be observed in some physical and biological systems.     

Collective dynamics of two-dimensional coupled Brownian motors

The transport properties of coupled Brownian particles in a two-dimensional rocking ratchet are investigated via Langevin simulation. The results show that the average center-of-mass velocity is multi-peaks function of the frequency of the driving force. Furthermore, in the 2D coupled Brownian motor system there are the collective effect and ratchet behavior, which can switch depending on the frequency of driving force. It turns out that the cooperative effect between the interaction of coupled particles and external rocking driving force facilitates collective directional motion and energy conversion.     

分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运现象

引入分数阶微积分理论,建立耦合分数阶布朗马达在闪烁棘齿势中的合作输运模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 发现在具有记忆性的分数阶棘齿系统中, 系统阶数与粒子间耦合强度不仅可影响粒子链输运速度, 还可使粒子链出现与整数阶方向相反的定向流; 在阶数固定下, 定向输运速度将随参数(噪声强度、耦合强度、棘齿势峰值高度)变化出现广义随机共振现象. 关键词： 分数阶布朗马达 闪烁棘齿势 合作定向输运 广义随机共振     

Collective Transport of Coupled Brownian Motors with Low Randomness

The transport properties of coupled Brownian motors in rocking ratchet are investigated via solving Langevin equation. By means of velocity, diffusion coefficient, and their ratio （Peclet number）, different features from a single particle have been found. In the regime of low-to-moderate D, the average velocity of elastically coupled Brownian motors is larger than that of a single Brownian particles; the Peclet number of elastically coupled Brownian motors is peaked functions of intensity of noise D but the Peclet number of a single Brownian motor decreases monotonously with the increase of a single Brownian motor. The results exhibit an interesting cooperative behavior between coupled particles subjected to a rocking force, which can generate directed transport with low randomness or high transport coherence in symmetrical periodic potential.     

Brownian Ratchet Driven by a Rocking Forcing with Broken Temporal Symmetry

The ratchet motion of a Brownian particle in a symmetric periodic potential under a rocking force thatbreaks the temporal symmetry is studied. As long as the relaxation time in the thermal background is much shorter thanthe forcing period, the unidirectional transport can be analytically treated. By solving the Fokker-Planck equations, weget an analytical expression of the current. This result indicates that with an appropriate match between the potentialfield, the asymmetric ac force and the thermal noise, a net current can be achieved. The current versus thermal noiseexhibits a stochastic-resonance-like behavior.     

非对称耦合粒子链在棘齿势中的确定性定向输运

针对不受外力和噪声驱动的非对称耦合粒子链在棘齿势中的运动, 建立了相应的数学模型, 并对其确定性定向输运现象进行研究. 仿真结果表明: 在粒子间的非对称耦合和具有空间反演非对称的棘齿势的共同作用下, 粒子链能够产生定向输运现象, 并在适当参数条件下还能形成反向定向流; 粒子链平均速度关于耦合系数、势垒高度、弹簧自由长度等系统参数分别都存在广义共振现象, 即存在最佳参数使得定向输运速度达到最大; 在其他参数固定的情况下, 粒子链平均速度关于弹簧自由长度变化的曲线具有近似反对称的特点, 并存在广义多峰共振现象.     

二维耦合定向输运模型研究

建立了外部驱动力及噪声作用下的二维耦合定向输运模型, 其中的一个维度上为周期性分段棘齿势, 另一垂直维度上为周期性对称非棘齿势, 外部驱动力及噪声加在周期对称非棘齿势方向上, 而棘齿势方向不加任何驱动, 采用非平衡统计及非线性动力学理论研究了过阻尼情况下耦合系统在两个维度上的输运性质. 结果显示, 棘齿势与非棘齿势方向均可产生定向输运, 其中棘齿势方向的系统平均速度对耦合强度、噪声强度、驱动力强度及粒子数目均有明显的依赖性, 合适的耦合强度、噪声强度、驱动力强度或粒子数目下均可产生最大输运速度. 而非棘齿势方向的系统平均速度受非棘齿势势垒高度影响显著, 但随耦合强度、驱动力强度、驱动力初相位差及粒子数目的变化均出现波动现象, 表现出平均速度对这些参量的依赖性较弱.     

带反馈的分数阶耦合布朗马达的定向输运

研究具有幂律记忆性的带反馈耦合布朗马达的定向输运现象, 引入分数阶理论, 建立了带反馈的分数阶耦合布朗马达模型, 利用分数阶差分法求得模型数值解并分析了模型参数对合作定向输运性质的影响. 仿真结果表明, 系统的记忆性通过影响带反馈的棘齿势的打开和闭合而影响粒子的定向输运, 即当系统的阶数在较小的范围内, 系统的记忆性会使带反馈的棘齿势的开关频率增加, 从而增大定向流速; 当系统其他参数(势垒高度、噪声强度等)固定时, 输运速度随着阶数的变化出现广义随机共振现象.