Найважливіші досягнення Інституту фізики конденсованих систем НАН України у 2012 році

а) У галузі фундаментальних досліджень

Запропоновано новий підхід до опису сольватаційних взаємодій у багатомасштабній молекулярній динаміці складних біохімічних систем у каноніко-ізокінетичному ансамблі. Це дало змогу подолати обмеження по часовому кроку і ефективності, властиві стандартним методам. На прикладі аланін-дипептиду у водному розчині показано, що новий підхід може використовувати величезні зовнішні часові кроки h (десятки пікосекунд), пришвидшуюючи розрахунки від 100 до 500 разів у порівнянні з найкращими схемами відомими раніше (див. рисунок). Новий підхід можна модифікувати і застосувати до складніших моделей біологічних рідин, включаючи, зокрема, білки та інші макромолекули (Омелян І.П.).

Проаналізовано статичну функцію розсіяння на f-гілкових зіркових полімерах у розчинах у присутності просторових неоднорідностей, скорельованих згідно степеневого закону ∼r^-a. Такі дослідження важливі для розуміння поведінки макромолекул у колоїдних розчинах, біля пористих мембран та в клітинному середовищі. Зокрема, досліджено відношення g(f) інтенсивностей розсіяння на зіркових та лінійних макромолекулах однакової молекулярної ваги, що є експериментально спостережуваною величиною. Застосовуючи підхід прямого полімерного перенормування, показано, що зростання скорельованості пористої структури (зменшення кореляційного параметра а призводить до зменшення відмінності між розміром зіркових і лінійних полімерів із однаковою молекулярною вагою.(Головач Ю.В., Блавацька В.Б.).

Досліджено так званий "плоскозонний феромагнетизм", що виникає на класі фрустрованих граток. Принцип Паулі забезпечує мінімізацію кулонівської енергії відштовхування завдяки зменшенню перекриття хвильових функцій з утворенням феромагнітного стану з електронів, що локалізовані в сусідніх областях гратки. Математично проблема зведена до нового класу задач про протікання – Паулі-скорельованої перколяції; система стає феромагнітною, як тільки концентрація електронів дозволяє утворення безмежно великого кластера. Показано, що перехід до феромагнетизму є переходом першого роду з широкою областю співіснування пара- і феромагнітної фаз (Держко О.В., Максименко М.В.).

Для моделі Фалікова-Кімбала з врахуванням взаємодії з зарядженою діркою глибоколежачого рівня, з використанням теорії динамічного середнього поля було отримано точні аналітичні представлення через функціональні детермінанти для спектрів рентгенівської фотоелектронної емісії (XPS), передкрайового поглинання (XANES) та фотоемісії (XES). Ці три спектри тісно пов’язані між собою і проявляють поведінку типу катастрофи ортогональності в металічній фазі при T=0. Показано, що при скінчених температурах гострий пік краю поглинання існує як для металу так і для сильноскорельованого моттівського діелектрика, але перетворюється в степеневу сингулярність у першому випадку і δ-пік — у другому.
Проводилися дослідження особливостей спектрів резонансного непружного розсіяння рентгенівських променів у моттівському діелектрику. Поруч з низькоенергетичним піком, який відповідає електрон-дірковим збудженням в межах однієї зони, та високоенергетичним (надщілинним) піком, встановлено присутність квазіпружного піку, який походить від флуктуацій густина-густина і дає основний внесок у динамічний структурний фактор. Врахування нерадіаційних процесів релаксації (процеси Оже чи флуоресценція, E_h → E_h − iΓ) приводить до сильнішого загасання високоенергетичних піків і практично не змінюється квазіпружний пік. (А.М. Швайка спільно з Дж. Фріріксом і Нанданом Пахірою (університет Джорджтауну, США))

Стартуючи із методу колективних змінних, встановлено взаємозв’язок між статистико-польовими формулюваннями теорії неоднорідних плинів, які базуються на різних ідеях і широко використовуються в сучасній теорії рідин. Окремо розглянуто перехід до форму-лювання, яке відоме як теорія функціоналу густини. Показано, що метод колективних змінних має низку переваг і може використовуватися навіть у тих випадках, коли інші підходи стають незастосовними (акад. НАН України Мриглод І.М., Пацаган О.В.).

З використанням потенціалів внесеного атома (embedded atom potentials) методом молекулярної динаміки вперше розраховано спектри колективних збуджень та динамічні структурні фактори для рідкого заліза. Отримані результати, зокрема для швидкості поширення звуку та співвідношення теплоємностей, добре відтворюють експериментальні дані для розплаву заліза вище від точки плавлення і правильно відтворюють особливості динамічних структурних факторів, що спостерігаються в експериментах із непружнього рентгенівського розсіяння. Таке узгодження, виявлене для рідкого заліза при нормальному тиску, дозволяє стверджувати, що використані потенціали можуть бути застосовні для дослідження рідкого заліза при високих тисках, що важливо для проблем геофізики (Брик Т.М.).

Досліджено нематичну фазу рідкого кристалу з анізотропним потенціалом взаємодії типу Юкави. В об’ємному випадку розраховано парну кореляційну функцію. Знайдено функцію розподілу по орієнтаціях з врахуванням Гаусівських флуктуацій. Показано, що остання зводиться до перенормування середньо-польової функції розподілу Майєра-Заупе. Знайдено поправки до параметра порядку внаслідок флуктуацій. Отримано аналітичні вирази для термодинамічних функцій (вільна енергія, тиск, хімічний потенціал, внутрішня енергія) та сталої пружності у наближенні хаотичних фаз. У розглядуваних наближеннях вперше доведено контактну теорему для анізотропного плину поблизу твердої поверхні. Показано, що контактне значення густини визначається тиском в об’ємі і не залежить від кута між директором і поверхнею. Показано, що поблизу поверхні зникає аксіальна симетрія і виникають додаткові планарні фази. Розраховано профілі густини та параметра порядку S для випадку, коли директор перпендикулярний до поверхні. Знайдено, що з пониженням об’ємного значення параметра порядку плин у приповерхневій області стає більш розрідженим і менш орієнтаційно впорядкованим. Оскільки стабільна нематична фаза виникає при S = 0.43, передбачається, що при певних параметрах поблизу поверхні нематична фаза може переходити в ізотропну (чл.-кор. НАН України Головко М.Ф., Кравців І.Я.).

Проведено дослідження температурної залежності Т-моди адсорбату (frustrated translational mode), прийнявши гіпотезу, що в основі цього одночастинкового збудження лежать ефекти пам’яті. Дано пояснення ескспериментально спостережуваному зміщенню Т-моди вправо або вліво з температурою на основі порівняльного аналізу двох характерних часових проміжків: τ_cor, протягом якого зникають кореляції випадкових сил термостату, та часу τ_v, впродовж якого загасає автокореляційна функція швидкостей. Показано, що у розвинутому субомічному режимі з індексом омічності s<<1 є справедливим співвідношення τ_ν << τ_cor, що веде до зсуву Т-моди вправо з ростом температури, оскільки надлишкова енергія ґратки передається адчастинці, збільшуючи її ефективну вібраційну частоту ω_T(T). Навпаки, у розвинутому суперомічному режимі з s ≈2 виконується протилежна нерівність, τ_v >> τ_cor. На часах порядка τ_cor частинка не встигає термалізуватись, і починає передавати свою надлишкову енергію поверхні, що приводить до зміщення Т-моди вліво з ростом температури.

Оскільки омічність системи взаємно однозначно пов’язана з природою взаємодії «адсорбат-субстрат», можна робити висновки про той чи інший механізм такої взаємодії, аналізуючи температурну залежність зміщення Т-моди.
Проведено аналітичне дослідження температурних характеристик Т-моди в границі як високих, так і низьких температур, яке повністю узгоджується з даними числового розрахунку. Екстраполяція результатів у границю нульової температури дозволяє визначати мікроскопічні параметри системи – енергію міжрівневих переходів та інтенсивність взаємодії адчастинки з поверхнею (Ігнатюк В.В.).

Встановлено, що активною при кількох надструктурних фазових переходах у кристалах Cs₂HgCl₄, Cs₂HgBr₄ і Cs₂CdBr₄ є одна й та ж фононна мода симетрії B3g у центрі зони Бриллюена. Її взаємодія з іншими коливними модами вздовж різних напрямків зони Бриллюена викликає втрату граткової стійкості, що призводить до різного типу фазових переходів у вищезгаданих кристалах (Щур Я.Й.).

В рамках в’язко-еластичного наближення іон-поляризаційної моделі іонного розплаву розраховано спектр колективних збуджень. Показано, що врахування поляризаційних ефектів призводить до перенормування коефіцієнта загасання звуку. Серед релаксаційних мод одна – зумовлена дипольною дифузією і зміщена від свого гідродинамічного значення через взаємодію з іншими релаксаційними модами, інші дві – спричинені електропровідністю системи (Василенко А.І., Марків Б.Б., Токарчук М.В.)

б) У галузі прикладних досліджень

Розроблена комп’ютерна програма ICaS Color Print 2.0., яка зареєстрована Державною службою інтелектуальної власності України (свід. № 46371 від 13.11.2012 р.). Проведено роботи з освоєння нової інформаційної технології кольороподілу ICaS-ColorPrint у виробничих умовах. Результати експонувалися на Міжнародній спеціалізованій виставці "Високі технології 2012", Київ, вересень 2012 р. (Шовгенюк М. В.).

Рідкокристалічний еластомер (РКЕ) поєднує еластичність полімерної матриці із оптичними властивостями рідкокристалічних груп і має перспективи застосування в якості "штучних м’язів". Для передбачення взаємозв’язку між топологією полімерної матриці і макрореакцією цього мета-матеріалу на зовнішні збурення виконано симуляції методом молекулярної динаміки. Отримано ефект пам’яті при переході РКЕ через точку рідкокристалічного переходу. Встановлено, що причиною цього є суттєве сповільнення дифузії мономерів через наявність у РКЕ додаткових зв’язків порівняно із розплавом таких же молекул. При прикладенні до РКЕ одновісного навантаження встановлено формування нематичної фази в ізотропній системі та ефекти як плавної переорієнтації нематичного директора, так і формування V-подібної "шеврон"-структури, коли навантаження прикладено у монодоменній смектичній фазі. Розвинутий підхід дозволяє розгляд фото-активних еластомерів, які характеризуються оборотніми фото-деформаціями, що мають технологічне застосування (Ільницький Я.М.).