Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2018 році

Для виробництва ефективних лікарських препаратів використовують розчини імуноглобулінів із низькою в’язкістю. Для їх опису розвинуто новий підхід, який на відміну від традиційних колоїдних підходів, що враховують ефекти самоасоціації, дозволяє також вивчати вплив форми молекул, їх гнучкості та просторового розміщення зв’язуючих центрів. Для моделі, що враховує взаємодії молекул через антигенозв’язуючі та кристалізуючі фрагменти, проведено розрахунок функції розподілу утворюваних кластерів за розмірами, коефіцієнта в’язкості, другого віріального коефіцієнта та коефіцієнтів Хігінса в залежності від концентрації антитіл. Виявлено, що агрегаційні властивості концентрованих розчинів можна оцінити з даних про розчин із низькою концентрацією імуноглобулінів, які доступні з експерименту. Показано, що процеси агрегації, а отже і в’язкість розчину, можна ефективно контролювати через модифікацію самих антитіл, а не лише за рахунок змін розчину, в якому вони перебувають (Калюжний Ю.В.).

Однією з актуальних задач сучасної фізики конденсованої речовини є вивчення рівноважних станів у розчинах біологічних систем. Так, для прикладу, предметом гострих дискусій стало питання про утворення рівноважних кластерів із білка лізоциму. Одна група дослідників стверджує, що кластери існують, їхній розмір росте лінійно з концентрацією білка, а про їх наявність свідчить додатковий максимум у статичному структурному факторі системи, що виникає у довгохвильовій області. Інші дослідники стверджують, що жодних кластерів не існує і вони не потрібні для пояснення спостережуваних особливостей структурного фактора. Методом Больцманівської інверсії для умов pH=2 та T=298К, при яких спостерігається додатковий максимум в експериментальному структурному факторі, розраховано ефективний потенціал взаємодії, що діє між молекулами лізоциму. Шляхом екстраполяції також знайдено потенціали для нижчих температур, T=278 та 273K, і показано, що в усіх цих випадках потенціал має однотипну структуру з локальним мінімумом на малих відстанях. Результати розрахунків добре описують експериментально спостережувані структурні зміни, що відбуваються в білковому розчині з ростом концентрації, зокрема, повністю відтворюється зсув у положенні основного максимуму структурного фактора. Виявлено, що досліджувана система утворює кластери – при малих концентраціях кластери малі та мають видовжену форму, а зі зростанням концентрації розмір кластерів збільшується зі зміною їх форми. Показано, що кластери при великих концентраціях утворюються шляхом асоціації кластерів меншого розміру і при подальшому збільшенні концентрації спостерігається перехід у неергодичний стан (Баумкетнер А.Б.)

Методом молекулярної динаміки проведено моделювання водних розчинів вуглецевих нанотрубок, функціоналізованих аніонними групами -COO- на краях. Ці наноструктури досліджуються як можливі наноносії, зокрема ліків, у водних розчинах. Для вивчення ефективності закорковування нанотрубок протестовано три типи катіонів тетраалкіламонію (тетраетил-, тетрапропил-, тетрабутиламоній), що мають однаковий заряд +1 і різняться лише розмірами. Варіація розмірів нанотрубок і катіонів алкіламонію дозволяє підібрати оптимальні корки для наноносія аби запобігти небажаному контакту «корисного вантажу» всередині нанотрубки з розчинником. Показано, що менші за розміром катіони легше входять у нанотрубки, проте через слабшу гідрофобність гірше утримуються у ній. Тому гідрофобність іона алкіламонію (і його готовність входити в нанотрубку) можна збільшити через видовження гідрофобних ланцюгів. Для відкоркування нанотрубки і вивільнення вантажу запропоновано застосувати зовнішнє електричне поле, що роз’єднуватиме катіонні корки і функціоналізовані аніонні нанотрубки (Дручок М.Ю.).

Дві проекції конфігурації вуглецевої нанотрубки (9,9) із катіонами тетраетиламонію.

Досліджено нестійкості, результатом яких є бозе-конденсація та/або модуляція “зміщень” у системі квантових частинок, які описуються двостановою моделлю Бозе-Хаббарда з врахуванням взаємодії між зміщеннями частинок у різних вузлах ґратки. Вивчено можливість модуляції з подвоєнням періоду ґратки, а також однорідного зміщення частинок із рівноважних позицій. Проаналізовано умови реалізації згаданих нестійкостей і фазових переходів до SF фази та “впорядкованої” фази (із замороженими зміщеннями), вивчено поведінку параметрів порядку і побудовано фазові діаграми – як аналітично (для основного стану), так і числовим способом (при ненульовій температурі). Показано, що SF фаза може з’явитися як проміжна між нормальною та “впорядкованою” фазами, в той час як фаза “суперсолід” є термодинамічно нестійкою і не реалізується. Обговорено застосовність отриманих результатів до ґраток із локальними потенціалами типу подвійних ям (чл.-кор. НАН України Стасюк І.В., Величко О.В.).

Досліджено спектри оптичної провідності для моделі Фалікова-Кімбала з корельованим переносом на ґратці Бете. Отримано точні вирази для кореляційних функцій струм-струм використовуючи теорію динамічного середнього поля. В металічній фазі і для малих значень корельованого переносу спостерігається відхилення форми піку Друде від дебаївської релаксації та виявлено появу додаткового широкого піку на спектрах оптичної провідності і діаграмах Найквіста, коли рівень Фермі знаходиться поблизу двочастинкового резонансу. Для більших значень величини корельованого переносу, густина станів містить три зони, а відповідні оптичні спектри та діаграми Найквіста набувають складної форми з додатковими піками. Для сильних локальних кореляцій врахування корельованого переносу приводить до звуження верхньої хаббардівської зони та зменшення спектральної ваги піку Друде для легованих моттівських діелектриків   (Добушовський Д.А., Швайка А.М.)

Досліджено перехід (кросовер) між дифузійно-обмежененим (характерно для одновимірних систем) та реакційно-обмеженим (типово для багатовимірних систем) кооперативними режимами у коагуляційно-дифузійному процесі зі стохастичним скиданням (reset), що характеризується швидкістю r. При цьому реакції коагуляції розглядались на ґратці Бете, яка для кількості найближчих сусідів q=2 вироджується в одновимірний ланцюжок, а для q>2 може описувати багатовимірну ґратку. На цей випадок за допомогою наближення бен-Аврагама-Ґлассера було поширено метод порожніх інтервалів, у якому в неперервній границі поведінка моделі описується скейлінговою (масштабною) змінною λ (λ → 0 відповідає випадку ланцюжка, а λ → ∞ – багатовимірній системі). Знайдено логарифмічні поправки до скейлінгу густини частинок при λ → ∞, що відповідає верхній критичній вимірності. Розраховано перехідні (кросоверні) скейлінгові функції та ефективні критичні показники (Шаповал Д.Ю., Дудка М.Л.).

Залежність ефективного показника β_eff від скейлінгової змінної X= rλ⁻² в стаціонарному стані. коагуляційно-дифузивного процесу з стохастичним скиданням для трьох початкових коцентрацій σ частинок в системі. Помітно, що при зміні λ від 0 до ∞ показник змінюється від ½ (значення для одномірних систем) до ~1 (значення 1 для багатовимірних систем не досягається через логарифмічні поправки )

У високотемпературній області на прикладі коміркової моделі плину розвинуто метод опису критичної поведінки плину з використанням негаусового (четвірного) розподілу флуктуацій параметра порядку. Виходячи із отриманого рівняння стану, представлено криві залежностей тиску та ізотермічної стисливості від густини для різних значень відносної температури. Побудовано лінію Відома для надкритичного коміркового плину. Розвинутий підхід може бути застосований до опису фазового переходу в рідких лужних металах ( Добуш О.А., Козловський М.П., Пилюк І.В.).

Ізотермічна стисливість як функція густини для різних значень відносної температури (рисунок зліва) та тиск в точках екстремумів як функція температури (рисунок справа).

Одержано низку результатів, що стосуються кількісного аналізу публікацій у періодичних наукових виданнях, зокрема у журналах "Condensed Matter Physics" (СМР), "Europhysics Letters" (EPL), а також для групи академічних періодичних видань (журнали трьох відділень НАН України). При цьому аналізувалися мережі співпраці як на рівні окремих авторів, так і на рівні країн, що дозволили оцінити структуру авторських взаємозв’язків для кожного з випадків та визначити вклад різних країн. Ці завдання вирішувалися як із врахуванням даних за весь період, так і з точки зору їх зміни у часі. Для СМР та EPL детально досліджено їх тематичний профіль на основі вивчення мережі тематичних індексів PACS, що дають змогу віднести публікації до однієї або кількох тематичних областей, та проаналізовано типові характеристики процесів завантаження статей онлайн і одержання ними цитувань (на основі даних Scopus). Вивчено кореляції між кількісними індикаторами на основі цих двох типів даних, що по-різному характеризують наукові публікації. Запропоновано підходи до групування статей за ознаками, які випливають із статистики завантажень і цитованості (Мриглод О.І.).

Найбільша зв'язна компонента огрубленої мережі номерів PACS, що спільно використовуються у статтях журналу CMP: тільки частину до другої крапки взято до уваги. Максимальна вага вузла (кількість статей) дорівнює 2, а мінімальна вага зв’язка (кількість спільних статей) дорівнює 10. Виділено TOP10 вузлів та TOP10 зв’язків за їх вагою: перші 5 позицій оранжевим, а наступні 5 позицій синім кольором.