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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

外力作用下反馈耦合布朗棘轮的定向输运

本文研究了处于外力作用下双阱棘轮势中两个反馈耦合布朗粒子的定向输运性能. 通过对过阻尼朗之万方程的数值求解, 详细讨论了外力、热噪声与势阱的不对称参数等对耦合布朗粒子的平均速度、 有效扩散系数及Pe数的影响. 研究发现, 平均速度随外力呈周期性的变化规律. 同时耦合系统存在最优噪声强度会使定向输运达到最强. 值得指出的是棘轮系统可通过改变双阱势的结构来获得较强的定向流. 关键词： 耦合布朗棘轮 外力 双阱棘轮势 平均速度     

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.     

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.     

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     

分数阶双头分子马达的欠扩散输运现象

研究具有幂律记忆性的细胞液中双头分子马达的定向输运现象,选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,建立了分数阶过阻尼耦合Brown马达模型,讨论了阶数及耦合系数对双头分子马达定向输运速度的影响. 仿真结果表明,分数阶过阻尼双头分子马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 当噪声强度固定时,输运速度随着阶数以及耦合系数的变化均会出现广义随机共振现象. 特别地,研究发现双头分子马达在记忆闪烁棘轮势中具有某些单头分子马达所不具备的运动特性,定向流的大小和方向由噪声与双头间作用力相互耦合控制. 关键词： 分数阶双头分子马达 欠扩散 定向输运 广义随机共振     

基于连续时间无规行走模型研究反常扩散

基于连续时间无规行走(CTRW)理论,数值研究了布朗粒子的欠扩散、正常扩散和超扩散三种扩散行为.解决了CTRW模型的跳跃步长和等待时间分布函数的可实现化问题,对Metropolis抽样方法进行了改进以适用于周期势.探讨了布朗马达依靠闪烁棘轮和摇摆棘轮整流反常扩散所获得的定向速度,结果显示,闪烁布朗马达定向流极大值出现在超扩散条件下;摇摆布朗马达定向流最大值出现在弹道扩散条件下. 关键词： 无规行走 反常扩散 Metropolis抽样 棘轮势     

基于连续时间无规行走模型研究反常扩散

基于连续时间无规行走(CTRW)理论，数值研究了布朗粒子的欠扩散、正常扩散和超扩散三种扩散行为.解决了CTRW模型的跳跃步长和等待时间分布函数的可实现化问题，对Metropolis抽样方法进行了改进以适用于周期势.探讨了布朗马达依靠闪烁棘轮和摇摆棘轮整流反常扩散所获得的定向速度，结果显示，闪烁布朗马达定向流极大值出现在超扩散条件下；摇摆布朗马达定向流最大值出现在弹道扩散条件下.     

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.     

分数阶Brown马达及其定向输运现象

选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数,采用闪烁棘轮势,建立了过阻尼分数阶Brown马达模型.结合分数阶微积分的记忆性,分析了粒子在过阻尼分数阶Brown马达作用下的运动特性.研究发现,较之整数阶情形,过阻尼分数阶Brown马达也会产生定向输运现象,并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流.此外,还讨论了阶数和噪声强度对系统输运速度的影响,发现当阶数固定时,其平均输运速度会随噪声变化出现随机共振;当噪声强度固定时,其输运速度会随阶数变化而振荡,即出现多峰的广义随机共振现象.     

时间非对称外力驱动分数阶布朗马达的定向输运

本文研究了周期对称势中时间非对称外力驱动的布朗粒子输运现象, 建立了分数阶布朗马达输运模型. 其中外力是零均值的, 而分数阶阶数则刻画了客观环境的非均匀性程度. 通过将模型离散化进行数值模拟, 讨论了分数阶阶数、系统参量和外部参量与定向流之间的依赖关系. 研究表明, 即使没有倾斜势场的作用, 时间非对称外力也可以诱导系统产生定向输运; 输运速度随分数阶阶数的增大而单调递增; 当阶数固定时, 系统的输运速度会随着势垒高度、噪声强度非单调变化, 表现出广义随机共振现象. 分析指出, 分数阶郎之万方程所刻画的输运现象是在整数阶模型基础上的一个推广, 进而为输运现象提供了一个可能更为真实的模型.     

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.     

涨落作用下周期驱动的分数阶过阻尼棘轮模型的混沌输运现象

考虑涨落作用下周期驱动的过阻尼分数阶棘轮模型, 通过模型的数值求解, 研究确定性棘轮的混沌特性与噪声的作用对输运行为的影响, 进而讨论过阻尼分数阶分子马达反向输运的机理. 分析表明: 随着势垒高度、 势不对称性与模型记忆性的变化, 随机棘轮的反向输运并不必然地要求确定性棘轮也反向输运; 随着模型阶数的减小, 亦即分数阻尼介质记忆性的增强, 确定性棘轮在反向输运之前会经历一个周期倍化导致的混沌状态, 但在噪声作用下, 反向流的发生会提前, 即混沌状态的确定性棘轮在噪声的作用下即可进行反向输运. 也就是说, 噪声能定性地改变棘轮的输运状态: 从无噪声时的混沌运动到有噪声时的定向输运. 这是过阻尼随机棘轮反向输运的一种机理, 也是噪声在定向输运过程中发挥积极作用的一个体现.     

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.     

二维势场中弹性耦合粒子的定向输运研究

建立了二维势场中弹性耦合粒子的输运模型, 其中一维上加交流驱动及噪声, 另一维上不加驱动及噪声, 分析讨论了过阻尼情形下系统和外部参量对定向流的影响. 结果表明, 粒子可以通过相互耦合使一个方向上输入的驱动能量转化到垂直方向上, 从而使无能量输入的方向产生定向流. 适当的弹簧自由长度及耦合强度可以使定向流达到极值, 特别是当耦合强度及噪声强度固定时, 定向流会随弹簧自由长度的变化而振荡, 出现多峰现象. 研究还发现, 定向流随噪声强度的变化出现随机共振现象. 当产生定向流方向上的势的不对称度达到一定程度时会出现流反转现象. 关键词： 弹性耦合 定向输运 随机共振 流反转     

双频驱动下分数阶过阻尼马达在空间对称势中的定向输运

从阻尼对历史加速度记忆的角度出发,对阶数p∈(0,2)的分数阶阻尼物理意义给出了统一的合理解释,具体分析了不同阶数下的阻尼记忆特性,在此基础上研究了空间对称势中分数阶单分子马达在无偏置双频简谐激励下的输运问题,通过数值方法分析了输运速度与模型各参数的关系以及分数阶阻尼对输运现象的影响机理.研究表明,在不同阶数下历史加速度对当前时刻阻尼力的贡献与距当前时刻的时间长度呈单增或单减关系;在适当参数下输运速度随空间势深和外力频率的增大均会出现广义共振现象,特别地,在存在输运且阻尼阶数较大的情况下输运速度随势深增大出现阶梯状变化而与外力频率呈正比例关系;输运速度及方向对外力波形十分敏感,在不同外力下阻尼力的记忆性会分别促进或阻碍粒子跃迁,甚至引发与整数阶方向相反的定向流.