Дослідження / Річні звіти / Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2016 році
Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2016 році
Вода, як найважливіша для життя молекулярна рідина, здавна притягує увагу дослідників своїми численними аномальними властивостями. Першопринципні дослідження в рамках теорії функціоналу електронної густини властивостей води довший час не давали змогу вийти на адекватний опис експериментів. Так, для прикладу температура плавлення основної модифікації льоду для традиційних обмінно-кореляційних функціоналів навіть з ґрадієнтними поправками є вищою за 400К. Однією з проблем першопринципного опису є неправильна асимптотика для ван-дер-Ваальсівських парних потенціалів взаємодії. Як варіант вирішення цієї проблеми розглядається врахування дисперсійної поправки у виразі для повної енергії. У цьому дослідженні використано дисперсійні поравки 3-го покоління D3 для моделювання двофазної рівноваги лід-вода з перших принципів. Розглянуто найбільшу на цей час для першопринципного моделювання двофазну систему з 389 молекул води, яка досліджувалась при 7 температурах між 250К і 400К в ансамблях NVT (сталі температура і об’єм) та NPT (сталі температура і тиск). Показано, що дисперсійні поправки D3 приводять до зменшення температури плавлення льоду на величину порядку 100 градусів. Ці результати відкривають нові перспективи з вивчення властивостей води та водних розчинів із перших принципів (Брик Т.М.).
A.P. Seitsonen and T. Bryk. “Melting temperature of water: DFT-based molecular dynamics simulations with D3 dispersion correction”, Phys.Rev. B, 94, 184111 (2016)
Рис. Знімок рівноважної двофазної лід-вода системи 389 молекул води в ab initio симуляції з використанням BLYP+D3 дисперсійних поправок.
Розвинутий раніше оригінальний підхід, який базується на поєднанні методу молекулярної динаміки в канонічно-ізокінетичному ансамблі з теорією інтегральних рівнянь, що удосконалена схемою екстраполяції сольватаційних сил та мультикроковим алгоритмом розв’язання рівнянь руху, втілено у вигляді програмного коду для нової версії пакету програм AMBER 2016. Цей підхід застосовано до опису процесів динамічної самоорганізації білків (типу 1L2Y і 1P7E) у водному середовищі. Розглянуто структурні та термодинамічні властивості таких систем та досліджено залежність часу згортання білка від температури розчинника. Показано, зокрема, що час самоорганізації протеїнів у воді збільшується зі зменшенням температури, в той час як у вакуумі згортання не відбувається взагалі. Продемонстровано, що вибір існуючих моделей атом-атомних взаємодії як для молекул розчину, так і розчинника, впливає на появу тих чи інших проміжних станів у процесі самоорганізації, однак у кінцевому рахунку приходимо до майже однакової базової структури макромолекул (Омелян І.П.).
Розраховано точні спектри фотоелектронної емісії з часовим розділенням для зарядововпорядкованої системи, яка описується моделлю Фалікова-Кімбала в рамках теорії динамічного середнього поля. Експерименти «нагнітання–вимір» залучають два світлових імпульси: перший ультракороткий інтенсивний імпульс нагнітання, що переводить систему в нерівноважний стан, і другий – меншої інтенсивності високочастотний вимірний імпульс, що збуджує фотоелектрони. Досліджено три різних випадки: сильноскорельований метал, квантовий критичний стан зарядового впорядкування та критичний моттівський діелектрик. Отримано, що квантовий критичний стан зарядового впорядкування володіє надефективним каналом релаксації, що приводить до малого повного збудження системи. З іншого боку, метал і моттівський діелектрик збуджуються у майже очікуваний для таких систем спосіб. Показано, що поле нагнітання призводить до спектрального звуження зон, загострення піків та зменшення щілини в спектрі, характеристики яких швидко повертаються до вихідних після завершення нагнітання (О.П. Матвєєв, А.М. Швайка спільно з Дж. Фріріксом (Джорджтаунський університет, США) і Т. Деверо (Стенфордський університет, США))
Розглянуто квантову модель Гайзенберга на двовимірній гратці подвійний шар, що складається з двох шестикутних граток. Така спінова модель може бути використана для опису властивостей деяких магнітних ізоляторів. Теоретично виявлено, що за наявності зовнішнього магнітного поля ця система має такі фазові переходи як перехід Ізинга-Онзагера при скінченій (низькій) температурі та спін-флоп перехід. Це несподівано, бо взаємодія у моделі ізотропна, а стається через те, що магнітне поле вводить в гру певний клас станів з низькими енергіями. Ці дослідження виконані Т.Крохмальським, В.Балігою, О.Держком у співпраці з Йоганесом Ріхтером (університет Магдебурга, Німеччина).
У рамках теорії поля досліджено структуру двох модельних плинів, що обмежені твердою поверхнею. Як першу модель розглянуто нематогенний плин Майєра-Заупе. У наближенні середнього поля отримано нелінійне інтегральне рівняння для унарної функції розподілу. В лінеаризованому наближенні знайдено аналітичні вирази для профілів густини та параметра порядку. Проведено порівняння цих результатів із чисельним розв’язком середньо-польового рівняння. Детально проаналізовано залежність контактних значень густини та параметра порядку від температури. Інша модель описує плин із м’яким відштовхуванням між частинками та осцилюючим хвостом потенціалу взаємодії, що відображає наявність розчинника. Таку систему досліджено з врахуванням гаусових флуктуацій. Одержано аналітичні вирази для парної кореляційної функції, профілів густини та коефіцієнта адсорбції. Проаналізовано залежності цих величин від густини, температури та параметрів парного потенціалу. Для перевірки застосованих наближень результати теорії порівнюються з даними комп’ютерного моделювання. Показано, що для профілю густини гаусове наближення забезпечує набагато краще узгодження за теорію середнього поля (чл.-кор. НАН України Головко М.Ф., Пацаган Т.М., Кравців І.Я.).
Рис. Знімок комп'ютерного моделювання нематогенних плинів між двома твердими стінками
Di Caprio D., Kravtsiv I., Patsahan T., Holovko M., Oscillating Yukawa fluid at a hard wall: field theory description, Mol. Phys., 114, 2016, 2500-2515.
Рис. Границя Nc(d) що відділяє область значень N для яких реалізується фазовий перехід першого роду, N Nc(d). Наші результати (суцільна крива) у порівнянні з результатами ε=(4-d) -розкладу.
B. Delamotte, M. Dudka, D. Mouhanna, and S. Yabunaka, Functional renormalization group approach to non-collinear magnets. Phys. Rev. B 93, (2016) 064405
Знайдено точний розв’язок коміркової моделі неперервної системи із потенціалом взаємодії Кюрі-Вейса, що містить притягаючу та відштовхувальну взаємодії. Математично строго доведено наявність фазового переходу в такій моделі та отримано явний вираз для рівняння стану. Встановлено, що модель містить цілий каскад фазових переходів першого роду, кожен з яких реалізується для певного діапазону густин. Опис здійснено в рамках великого канонічного розподілу, де особлива роль належить хімічному потенціалу, як незалежній змінній. Знайдено рівняння, що пов’язує хімічний потенціал із густиною (Козловський М.П., Добуш О.А.).
Досліджувалась реакція академічної спільноти на певну актуальну тему, яка виникає як нова наукова проблема. З цією метою проведено наукометричний аналіз публікацій, пов’язаних із катастрофою на Чорнобильській АЕС. Використано базу даних Scopus, що дозволило аналізувати проблему в міжнародному контексті, та бібліографічну базу даних «Україніка Наукова», щоб розглянути ситуацію на національному рівні. Знайдено розподіл статей за різними науковими ділянками, вивчено динаміку і властивості мереж співавторства. Елементи описової статистики та інструменти теорії складних мереж використано для виявлення міждисциплінарного характеру робіт, а також рівня міжнародної співпраці. Це дозволило проаналізувати вклади міжнародної спільноти до досліджень із чорнобильської тематики, а також рівень інтеграції України в міжнародну співпрацю. Крім того, аналіз назв статей та рефератів публікацій дозволив виявити найважливіші терміни, що використовуються для опису чорнобильських проблем (О. Мриглод, Ю. Головач у співпраці з Р. Кенною та Б. Бершем).
O. Mryglod, Yu. Holovatch, R. Kenna, B. Berche. Quantifying the evolution of a scientific topic: reaction of the academic community to the Chornobyl disaster. Scientometrics 106 (2016) 1151–1166
Рис. Мережа співпраці країн, що брали участь у дослідженнях на чорнобильську тематику (період публікації статей: 1986–2015, база даних Scopus). Вузли, що належать до спільної коппоненти, показані однаковим кольором.