Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2011 році

а) У галузі фундаментальних досліджень

Методами комп’ютерного моделювання вперше досліджено білок міозину, що належить до групи молекулярних моторів, які відповідають за скорочення м’язів, поділ клітин і інші функції, у яких задіяні актинові філаменти. На основі отриманих результатів запропоновано гіпотезу про те, що перехід відновлення між двома альтернативними станами міозину в присутності молекул АТФ не є однокроковою реакцією, а складається щонайменше із двох стадій. Спершу відбувається замикання ключа через утворення водневого зв’язку в структурному елементі, яке на другому етапі провокує поворот домена конвертора. Цей результат дозволяє краще зрозуміти механізм переходу відновлення і сформулю-вати простіші моделі, що важливо для опису складних процесів (Баумкетнер А.Б.).

Розвинуто підхід мультимасштабної молекулярної динаміки для дослідження термодинамічних, рівноважних і структурно-конформаційних властивостей складних рідин та їх сумішей, які характеризуються співіснуванням динамічних процесів, що відбуваються на суттєво різних часових шкалах (від фемто- до мікросекунд). У результаті отримано нові алгоритми у різних статистичних ансамблях (мікроканонічному, канонічному, ізокінетичному та ін.) для подолання існуючого бар’єру на розмір часового кроку при інтегруванні рівнянь руху для атомів і молекул у складних моделях рідин (див. рисунок, де для прикладу зображено молекулу аланін-дипептиду) за одночасної присутності трансляційних, обертових і вібраційних ступенів вільності (Омелян І.П.).

Побудовано теорію плину, що знаходиться у пористому середовищі, яке утворене частинками різної геометрії (еліпсоїдні, кубічні чи циліндричні). Теорія дозволяє розраховувати залежності хімічного потенціалу плину від його густини, вивчати інші термодинамічні властивості плину в матриці. Вперше отримано аналітичні вирази для рівняння стану адсорбованого плину і досліджено його фазову поведінку. Показано, що зміною геометричних параметрів частинок можна контролювати морфологічні характеристики пористого середовища, зокрема, пористість і питому площу поверхні пор, що дозволяє керувати критичною поведінкою плину (Пацаган Т.М., чл.-кор. НАН України Головко М.Ф.).

Розроблено новий ефективний метод дослідження основних станів простих моделей граткового газу з багаточастинковими взаємодіями. Для моделі на трикутній гратці виявлено велику різноманітність структур – впорядкованих періодичних і аперіодичних, невпорядкованих із різним ступенем хаосу, кратних двійникових. Доведено, зокрема, можливість існування квазікристалічних структур. Дослідження у цьому напрямі особливо актуальні у зв’язку з недавніми спостереженнями таких структур у м’якій речовині і природних мінералах. Отримані результати проливають світло на проблему стабілізації квазі-кристалічних і виникнення нескінченно адаптативних структур (Дубленич Ю.І.).

На прикладі колективної динаміки в сплаві Na_xK_(1-x) встановлено природу аномально високого значення коефіцієнта Ландау-Плачека у деяких рідких сплавах лужних металів. Високі інтенсивності центрального піку динамічного структурного фактора спостерігалися в експериментах із розсіяння. За допомогою комп’ютерного моделювання і теоретичного аналізу знайдено вклади від релаксаційних процесів у центральний пік динамічного структурного фактора та показано, що саме  вклад від релаксаційного процесу, що пов’язаний із взаємною дифузією, домінує у довгохвильовій області і стає аномально великим при концентраціях, коли спостерігається тенденція до гомо-координації (Брик Т.М.).

б) У галузі прикладних досліджень

Запропоновано математичну модель редакційного проходження статей у науковому періодичному виданні. Проведено комп’ютерне моделювання редакційного процесу і досліджено статистичні особливості часів затримки рукописів перед їх опублікуванням. Виявлено, що довгі хвости у розподілах часів очікування привносяться, насамперед, процесом рецензування, для якого типові усі специфічні риси динаміки людської діяльності. Цей ефект може бути використаний для зовнішнього моніторингу роботи наукових періодичних видань (Мриглод О.І., чл.-кор. НАН України Мриглод І.М., Головач Ю.В.).

Методами першопринципних розрахунків досліджено співіснування надпровідного та феромагнітного станів у надґратках і гетероструктурах LaAlO₃/SrTiO₃, що було виявлене нещодавно експериментально. Показано, що як магнетизм, так і надпровідність генеруються 3d-електронами титану, які утворюють квазідвомірну електронну рідину в міжфазних ділянках LaAlO₃/SrTiO₃. Показано, що феромагнітний стан суттєво посилюється при впровадженні кисневих вакансій у шари оксиду титану, кластеризація яких призводить до просторового розшарування надпровідної і феромагнітної фаз у гетероструктурах. Вказано на можливість контролю магнітного стану таких гетероструктур шляхом цільового впровадження кисневих вакансій (Павленко Н.І.).

Досліджено конформаційні властивості гнучких полімерних макромолекул поблизу адсорбуючих частково-проникних мембран. Застосовуючи метод чисельного моделювання із використанням алгоритму Розенблюта зі збідненням і збагаченням, кількісно описано особливості фазового переходу в адсорбований стан, зокрема: розраховано значення показника кросовера, що керує скейліновою поведінкою параметра порядку (концентрація адсорбованих мономерів) у точці переходу та значення температури переходу в стан адсорбції. Проаналізовано універсальні характеристики розміру та форми типової просторової конфігурації, якої набуває полімерна макромолекула в адсорбованому стані (Блавацька В.Б.).

На основі перколяційного аналізу досліджено закономірності появи феромагнетизму в основному стані у моделі Габбарда на квадратній гратці Тасакі. Показано, що у скінченому інтервалі концентрацій електронів 0.22 < n/N < 0.33 така система стає феромагнетиком при T=0. Ці дослідження вкладаються у контекст пошуку нових феромагнітних матеріалів (Максименко М.В.).