Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2022 році

Складність точного опису динамічних процесів у рідкому середовищі через наявність релаксаційних процесів із різними характерними часами релаксації вимагає простіших моделей для розуміння та встановлення особливостей акустичних мод у складних рідинах. Запропоновано теорію нестабільного пружного середовища з флуктуюючими модулями пружності для опису коливних та релаксаційних станів. На основі підходу миттєвих нормальних мод та із запропонованого теоретичного підходу отримано низькочастотну асимптотику для густини коливних та релаксаційних станів у рідинах та встановлено їх добре відтворення в комп’ютерному моделюванні для звичайних та переохолоджених рідин. Результати дають змогу правильно ідентифікувати густину коливних станів у рідинах, оскільки існуючі методики отримання густини коливних станів з експериментально виміряних динамічних структурних факторів завжди містять внески від релаксаційних процесів (Т.М. Брик).

(A) Спектри миттєвих нормальних мод для різних температур, вказаних на рисунку. Власні значення та температури є в ленард-джонсівських одиницях. (B) Спектри миттєвих нормальних мод для моделі нестабільного пружного середовища для тих самих температур як в (A).

Проведено теоретичний аналіз накопичення заряду в електрохімічних конденсаторах з електродами на основі вуглецевих нанотрубок. На противагу традиційним уявленням, низька квантова ємність нанопористих електродів може підвищити накопичення енергії при збільшенні напруги заряджання в порівнянні з металічними електродами. Досліджувалися вузькі вуглецеві нанотрубки через наявні аналітичні розв’язки, що дозволило здійснити систематичний аналіз заряджання електродів у широкому діапазоні застосованих напруг. Подібні принципи можуть застосовуватися до інших нанопористих електродів. Таким чином, можна припустити, що «погіршення» квантової ємності електроду підсилює накопичення енергії при зростаючих напругах, для яких ємність подвійного електричного шару загасає (Т.М. Верхоляк).

Об’єкти м’якої речовини із так званими конкуруючими міжчастинковими взаємодіями здатні утворювати просторові структури на мікроскопічному та мезоскопічному масштабах, які можуть зазнавати значних змін під дією просторового обмеження. Керування морфологією таких структур могло б знайти застосування при розробці матеріалів із потрібними властивостями. Запропоновано модель конкуруючої парної взаємодії у вигляді потенціалу, представленого сумою трьох потенціалів Юкави. Методом комп’ютерного моделювання показано, що запропонована модель дійсно здатна описувати спонтанне виникнення в однорідному плині різноманітних мезоструктурованих фаз. При цьому обмежуюча поверхня сприяє явищам самоскупчення. Застосовано теоретико-польовий підхід для опису мезоскопічно однорідного плину поблизу твердої стінки. Отримано явні аналітичні вирази для структурних властивостей, зокрема для парної кореляційної функції та профілю густини. Досліджено проблему введення ефективного твердого діаметру і розглянуто роль температурної залежності цього діаметру в реверсивному характері фазової поведінки. Отримані теоретичні результати добре узгоджуються з даними комп’ютерного моделювання (І.Я. Кравців, Т.М. Пацаган, чл.-кор. НАН України М.Ф. Головко).

Молекулярне стикування (докінг) є одним з інструментів, необхідних для опису взаємодій білків (рецепторів) із малими органічними сполуками (лігандами) у численних біологічних системах. Запропоновано чисельний підхід на основі машинного навчання для вирішення цієї задачі. Підхід складається з двох етапів: на першому етапі глибока нейронна мережа використовується для локалізації області зв’язування на поверхні білка, на другому – цільове стикування виконується в межах локалізованої області за допомогою пакету AutoDock Vina. Тренування нейронної мережі виконано з використанням тренувального набору даних PepBDB. Попри те, що набір даних містить комплекси білків із пептидами, нейронна мережа виявилася успішною, зокрема, і для передбачення стикування ширшого класу сполук із білками. Для отриманих результатів проведено порівняння з іншим аналогічним рішенням – Accluster. Слід відзначити, що у випадках, коли відсутня попередня інформація про область зв’язування, етап із нейронною мережею є винятково ефективним як із точки зору підвищення точності, так і швидкості передбачення (М.Ю. Дручок).

Запропоновано модель рідини антитіл у невпорядкованому твердосферному пористому середовищі, що описує систему антитіл у середовищі клітини. Досліджено один з аспектів, який може мати місце в такій системі, зокрема притягальну взаємодію між молекулами антитіл та пористим середовищем. Досліджено вплив такої притягальної взаємодії на фазову поведінку моделі, перколяцію, розподіли кластерів білків за розмірами та другий віріальний коефіцієнт моделі. Отримано новий механізм реверсивної фазової поведінки такої асоціативної системи. Причиною реверсивного фазового співіснування, коли при двох різних температурах має місце однакова густина рідини, є притягальна взаємодія між рідиною та пористим середовищем. Через таку взаємодію навколо перешкод утворюється шар взаємно зв’язаних антитіл і відповідна мережа стає сильно неоднорідною, з локальним розподілом білків, які зосереджені на перешкодах. Іншими словами, розподіл антитіл у мережі регулюється розподілом перешкод. Такі особливості можуть відкрити можливості для отримання рівноважних гелів із заздалегідь визначеним нерівномірним розподілом частинок і вказати, наскільки складною може бути фазова поведінка біологічних макромолекул у середовищі клітини (Ю.В. Калюжний, Т.В. Гвоздь).

Геометрично фрустрована ґратка гіперкагоме є тривимірною мережею трикутників зі спільними вершинами. Основний стан класичної моделі Гайзенберга на цій ґратці сильно вироджений, хоча при дуже низьких температурах виникає слабкий нематичний порядок. Це дає підстави очікувати виникнення різноманітних екзотичних квантових фаз. До того ж є низка експериментальних сполук, де локалізовані магнітні моменти формують геометрію ґратки гіперкагоме і не виявляють жодного магнітного впорядкування навіть при дуже низьких температурах. Найбільш експериментально дослідженими є сполуки Na₄Ir₃O₈ і PbCuTe₂O₆. Незважаючи на значний інтерес до S = 1/2 антиферомагнітної моделі Гайзенберга на цій ґратці, фізичні властивості в основному стані і при скінченних температурах досліджено дуже мало. На основі високотемпературних розвинень до 16-ого порядку за оберненою температурою проведено інтерполяцію між високими і низькими температурами з допомогою так званого методу ентропії. Такий підхід використовує правила сум для енергії та ентропії і дозволяє отримати надійні результати для теплоємності і магнітної сприйнятливості на всьому інтервалі температур. Також зроблено оцінку значення енергії основного стану (Т.І. Гутак, Т.Є. Крохмальський, О.В. Держко).

Теоретико-польовим ренорм-груповим (РГ) методом досліджено скейлінґові поведінки густини та кореляційної функції частинок-мішеней у середовищі з рухомими пастками, що можуть коагулювати або взаємно анігілюють, а дифузія частинок моделюється польотами Леві – випадкові блукання, в яких довжина кроку описується розподілом ймовірностей з «товстим хвостом». У РГ підході показано, що для вимірностей простору нижче верхньої критичної d ≤ d_C = σ, де параметр σ керує формою розподілу Леві, густина частинок-мішеней характеризується універсальним показником, а кореляційна функція густина-густина характеризується додатковим показником. Встановлено, що принаймнi в однопетлевому наближеннi цi показники пов’язанi з аналогiчними виразами для випадку звичайної дифузiї при замiнi просторової вимiрностi на ефективну. Отриманi аналiтичнi результати для показника загасання густини пiдтверджено методом комп’ютерного експерименту для d = 1 (Д.Ю. Шаповал, В.Б. Блавацька, М.Л. Дудка).

Показник загасання густини частинок-мішеней θ як функція ймовірності коагуляції/анігіляції для рівних дифузійних констант та різних значень контролюючого параметру розподілу Леві σ. Лініями показано аналітичні передбачення, а символами — результати комп’ютерного експерименту.

Фазова діаграма

Дослiджено модель неперервної системи частинок iз взаємодiєю Кюрi-Вейса. Обраний вигляд потенціалу взаємодії визначає поділ простору, в якому перебувають частинки, на N_v кубічних комірок однакового розміру. Частинки відштовхуються з інтенсивністю g_r, якщо потрапляють в одну і ту саму комірку, і притягають одна одну з інтенсивністю g_a/N_v незалежно від їхнього розташування. Отримано точне рiвняння стану такої моделi в формалiзмi великого канонiчного ансамблю, а також встановлено для неї наявнiсть послiдовностi фазових переходiв першого роду при температурах нижче критичної T_c. Завдяки все ширшому інтересу з погляду технологічного застосування набирає актуальності пошук способів визначення межі між газоподібними та рідиноподібними структурами надкритичних плинів як продовження кривої співіснування в надкритичній області (вище критичної точки). Найпоширенішим є метод пошуку лінії Відома, тобто лінії максимумів, зокрема, стисливості і теплоємності. У надкритичнiй областi тиск поводиться як монотонно зростаюча функцiя температури та густини. Проте аналiз поведiнки її термодинамiчних коефiцiєнтiв показує рiзке зростання значень, так званi пiки, iзотермiчної стисливостi та iзобарної теплоємностi iз наближенням до критичної точки. Запропоновано спосiб отримання лiнiї роздiлу структур надкритичного плину на основi рiвняння стану та аналiзу поведiнки хiмiчного потенцiалу системи. В області температур T_c<T<1.2T_c лінія роздiлу добре співпадає з лiнiєю Вiдома (О.А. Добуш, М.П. Козловський).

Проведено масштабний кількісний аналіз ділянки української економіки на основі публікаційних даних. Таке дослідження є одним із перших прикладів комплексного вивчення ділянки науки на національному рівні з врахуванням динаміки в часі, що базується на Crossref. Досліджено різні аспекти публікаційної активності в рамках української економічної дисципліни. Зокрема, вивчалися закономірності співпраці, географічний ландшафт, особливості статистики отриманих цитувань, гендерні ефекти та впорядкованість імен авторів у списках. Для цього застосовано спеціальні підходи до роботи з бібліометричними даними, що стосуються переважно неангломовних авторів. Базуючись на отриманих результатах, обговорено специфічні та типові риси української економічної ділянки досліджень (О.І. Мриглод).

Щорічна динаміка часток статей, класифікованих за кількома категораіями згідно із гендером залучених авторів: одна авторка (F solo); дві або більше авторки (F coll); двоє або більше авторів, серед яких є хоча б одна жінка та хоча б один (MIX coll); двоє авторів-чоловіків (M coll); один автор (M solo). Для візуалізації обране часове вікно між 2013 та 2020, оскільки статистика до 2013 року є надто малою (менше 100 статей в рік).