Main research results of the Institute for Condensed Matter Physics of NAS of Ukraine in 2011

a) Main fundamental results

Myosins comprise a large family of ATP-driven motor proteins engaged in a variety of motility functions involving actin filament, including muscle contraction and cytokinesis. The functional cycle of myosin consists of a number of conformational changes and binding events that result in the directional movement of the protein along actin filament. Key among structural states are the pre-recovery state M^* and post-recovery state M^**. When myosin is bound to actin, the transition from M^** to M^* corresponds to the power stroke during which force is generated. In the state unbound from actin, the transition from M^* to M^** returns the myosin to a state ready to exercise force and is known as the recovery stroke. We investigated the details of this transition using methods of computer simulations. Our recent results show that: (a) the transition is initiated by a hydrogen bond formation in a loop far removed from the force-generating domain of the protein; (b) relay loop, relay helix and SH1 helix are needed for the converter domain to transition into M^** conformation; (c) the two conformations of the converter domain are encoded by a small structural motif in the force-generating region (A. Baumketner).

We develop a multiscale molecular dynamics approach for studying thermodynamical, equilibrium, and structural-conformational properties of liquid systems and their mixtures which are characterized by the coexistence of dynamical processes that take place on vastly different time scales (from femto- to microseconds). As a result, more efficient algorithms are derived in various statistical ensembles (microcanonical, canonical, isokinetic, and others) to overcome the existing barrier on the size of time steps when integrating the equations of motion for atoms and molecules in complex models of liquids (see figure, where the alanine-dipeptide molecule is shown as an example) at the simultaneous presence of translational, rotational, and vibrational degrees of freedom (Omelyan I.P.).

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.).

b) Main applied results

The editorial handling of papers in scientific journals as a human activity process is considered. Using recently proposed approaches of human dynamics theory we examine the probability distributions of random variables reflecting the temporal characteristics of studied processes. The first part of this study contains our results of analysis of the real data about papers published in scientific journals. The second part is devoted to modeling of time-series connected with editorial work. The purpose of our work is to present new object that can be studied in terms of human dynamics theory and to corroborate the scientometrical application of the results obtained (O. Mryglod, I. Mryglod, Yu. Holovatch).

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.).