利用冷冻电镜研究蛋白质机器的非平衡统计物理

对蛋白质机器的完整描述应包括其微观结构、热力学和动力学性质与工作机制.最近兴起的冷冻电镜技术为蛋白质热力学与动力学的研究提供了全新的机遇.目前已经有一些工作不仅利用冷冻电镜技术解析蛋白质的高分辨率结构,还结合数据处理方法来分析蛋白质的构象分布并进一步推测其热力学性质.然而,利用冷冻电镜技术直接对蛋白质的动力学过程作观测与定量分析的方法还在发展的初级阶段.本文选取了一个理想的蛋白质系统,即蓝藻生物钟蛋白对冷冻电镜分析蛋白质非平衡过程的可能性进行探索.基于已有的实验数据,将蓝藻生物钟蛋白KaiC的平衡态统计物理模型推广至非平衡态,对KaiC蛋白处于非平衡态时的动力学特征进行预测.基于动力学预测结果,本文揭示了冷冻电镜技术具有分析蓝藻生物钟蛋白的非平衡过程的可能,为进一步的冷冻电镜实验提供了理论依据.

一种高效求解简谐晶格声子传输系数的算法

根据朗之万格林函数理论,求简谐晶格中热流的关键在于求声子传输系数.传统上人们用基于分解三对角矩阵行列式的方法将求传输系数的过程转化为求转移矩阵的乘积从而降低时间复杂度,这种方法被称为转移矩阵法.但转移矩阵法的并行效果不佳且不能用于存在长程相互作用的系统.提出了一种基于解线性方程组的高效算法来求解简谐系统中声子传输系数,提升了计算的并行效率,且使求解存在任意近邻耦合的声子传输系数的时间复杂度降为O(N),为相关领域的研究提供了算法上的帮助.

离散呼吸子影响下的一维类FPUT系统的能量弛豫

通过边界冷却的方法,研究一维Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou(FPUT)类型的体系在此吸收边界条件下的能量弛豫过程。研究发现,与传统的简谐(harmonic)系统对比,具有三次方非简谐的FPUT-3模型和具有四次方非简谐的FPUT-4模型的能量弛豫会呈现出定性不同的特性。FPUT-3模型会出现一段长时间的能量零衰减现象。进一步分析表明,这一零衰减特性与系统在此段时间产生的离散呼吸子紧密相关。

可形变自驱动粒子在不对称周期管中的定向输运

粒子的随机运动被整流为定向运动是非平衡统计物理的重要研究内容.尽管如此,在活性粒子整流的研究中,粒子通常被视为刚性的.然而,在软物质中,粒子通常具有可变形的性质.本文重点探讨了可形变自驱动粒子在非对称周期通道中的定向运输行为.由于这些粒子具有可变形的特性,它们可以通过比自身小的通道.本文通过数值计算发现,可形变自驱动粒子能够打破热力学平衡,在空间不对称的条件下产生定向运动.粒子的集体运动方向完全由通道的不对称性决定.本文还发现,增加自驱动速度和粒子软化都能促进粒子的整流,而增大密度和旋转扩散则会阻碍粒子的定向运动.本文的研究成果有助于理解可形变粒子在受限结构中的定向运动行为,并为相关软物质马达的实验研究提供理论支持.

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.

边界条件对经典非对称相互作用晶格热化的影响

研究了不同边界条件的选择对一维经典非线性晶格热化性质的影响.通过数值模拟分别对比自由和固定边界条件下类FPUT模型的热化时间,发现边界条件的选择并不会影响相互作用为对称势时的热化时间标度行为,而相互作用是非对称势的模型则会因此产生显著差异.有趣的是,不仅在自由边界条件下的FPUT-α模型热化过程中发现了违背波湍流理论预测的结果,还未在自由边界条件下的FPUT-α-β模型热化过程中观察到明显的亚稳态性质.这些结果表明,在非对称相互作用晶格的热化数值模拟中,边界条件的选择起着重要的作用.

金属热疲劳的非平衡统计理论研究

从微观机理出发探讨金属热疲劳的宏观统计性质 .利用疲劳断裂非平衡统计理论 ,由 Raj和 Baik的混合模型 ,从微观机理与宏观特性相结合的角度对热疲劳进行分析研究 .得到迁移长大速率、涨落长大系数、热疲劳微裂纹的统计分布和统计平均值、热疲劳断裂概率及可靠性等 ,同时对结果进行了讨论 .结果表明热疲劳微裂纹分布函数、断裂概率。

用改进的耦合参数法实现二维logistic映象系统的混沌同步

使用同步均方误差ε最小化的方法得到变化的耦合参数数列,以此变化耦合参数数列来实现存在噪声的系统之间的同步控制.并以2个二维logistic映象为例进行了同步控制的数值模拟.

d+1维生长方程的奇异动力学标度性质研究

将López基于Hentschel和Family的直接标度分析理论提出的判别连续性动力学生长方程标度奇异性的解析方法,本文推广应用到d+1维生长方程动力学标度奇异性质的研究中,分别判断出d+1维的Kardar-Parisi-Zhang(KPZ)、线性molecular-beam epitaxy(MBE)、Sun-Guo-Grant(SGG)以及Lai-Das Sarma-Villain(LDV)等生长方程在弱耦合和强耦合区域内的奇异标度性质.当生长方程出现奇异标度性质时,使用标度关系lαoc=α-zκ可以得到各方程的局域粗糙度指数,并与数值模拟的结果相吻合.

具有无穷多个吸收态的二维模型的密度演化

从一个自然初始状态的二维模型(准三维模型)出发,模拟了模型态密度的演化.结果显示:模型从完全的激活态过渡到激活态与吸收态共存的状态,是一个连续的相变过程;而从两相共存的状态到完全吸收态可能存在一个非连续的相变.动力学的驱动机制方式控制和影响整个演化行为.

周期扰动控制一维映象混沌运动

从一维映象出发提出了周期扰动控制混沌的方法，给出了针对给定动力学目标计算和估计扰动幅度的方法。

时间分数阶Edwards-Wilkinson方程的标度行为研究(英文)

分别采用数值模拟和标度分析方法对1+1维时间分数阶Edwards-Wilkinson方程的标度行为进行研究.利用Caputo分数阶导数数值解求得的生长指数与采用直接标度分析方法得到的结果一致.

乘性噪声激励下稳态几率速流的形成

将布朗粒子在非平衡涨落中的定向输运现象，看作是乘性噪声作用的结果．通过解析计算和数值模拟，在一维过阻尼、非对称锯齿势中，分别讨论了乘性色噪声及乘性白噪声产生稳态几率速流的机理，并分析了几率速流与噪声强度的关系．

液体理论极限过热度的确定

本文利用统计热力学涨落理论提出一个新的假说，并由此建立了确定液体极限过热度的新方法。用导出的公式对18种液体物质极限过热度的计算结果表明，与其他作者提供的实验数据比较，其平均偏差小于0．67％，最大偏差不超过2.65％。本文给出的表达式具有普适性，可以对任何液体物质进行极限过热度预测。因此，这种新的方法在理论和应用上的价值都是显见的。

外噪声下相变模型福克-普朗克方程的含时精确解

采用微分方程的李群方法 ,研究了外噪声影响下的非平衡相变模型对应的Fokker Planck(FP)方程 ,得出了含时间概率密度P(x ,t)的严格表达式 ;讨论了最可几值x随时间的变化 .在时间t→∞时 ,由严格解给出了概率密度的定态解Pst(x) ,并讨论了此时的最可几值x与确定性描述的区别 .

耦合极限环系统同步的振幅效应

研究了耦合极限环系统同步的振幅效应 .结果表明 ,耦合系统中振子的平均频率随耦合强度的变化过程表现为同步分岔树结构 ,而振子的平均振幅随相同步的进程却是由均匀化逐渐分岔而达到非均匀化的过程 .

关于Haken状态方程对称性问题的一个注记

研究了Ｈａｋｅｎ在发展协同计算机理论过程中构造的能量函数和状态方程的对称性，认为状态方程的非正则性是他的相变理论和与对称破缺相关的更一般的原因．

Yong损失的机理研究

将非平衡态热力学理论应用于Ｙｏｎｇ分析，导出了Ｙｏｎｇ损率与推动力的一般关系，阐明了由不可逆过程引起Ｙｏｎｇ损失的机理。结果表明，一种形式的推动力不仅引起该种形式的Ｙｏｎｇ损失，而且由于不同形式的推动力之间的耦合而引起春它形式的Ｙｏｎｇ损失；

初速度对运动物体在颗粒介质中阻力的影响

采用分子动力学模拟方法研究物体从二维颗粒介质底部上升过程的动力学行为.研究发现,物体在上升过程中所受到的阻力与物体的初速度有关.当物体的初速度较小时,黏性系数随着初速度增加而减小,等效阻力则逐渐增加;而当初速较大时,黏性系数随着初速度增加反而逐渐增加,而等效阻力则逐渐减少,甚至可转变成等效推力.

Brown粒子的速度相关函数和位移涨落二阶矩

根据Ｂｒｏｗｎ粒子间存在简谐束缚相互作用的物理模型，得到了过阻尼、临界阻尼和振荡阻尼近似条件下Ｂｒｏｗｎ粒子的速度相关函数与位移涨落二阶矩函数的解析解，并对所得结果进行了讨论。