閃爍棘齒引起的

集體定向運動內(nèi)容安排一、布朗馬達：遠離平衡的噪聲輸運何為布朗馬達研究背景產(chǎn)生定向輸運的兩個條件兩種基本棘齒模型二、閃爍棘齒引起的集體定向輸運模型研究結(jié)果一、布朗馬達：遠離平衡的噪聲輸運

（Brownianmotors:noisetransportfarfromequilibrium）

PeterReimann

PhysicsReports361(2002)2.研究背景最早可追溯到熱力學(xué)中有關(guān)第二類永動機（單源熱機）的爭論。人們希望：系統(tǒng)可以自發(fā)從無序的漲落中獲取能量并轉(zhuǎn)化為有用的功。最早關(guān)于棘齒效應(yīng)的討論來源于對熱力學(xué)第二定律的理解，這在阿基米德(Archimede)、賽貝克(Seebeck)、麥克斯韋(Maxwell)、居里(Curie)等人的著作中零星可見，但都沒有進行專門的討論。Smoluchowski假想實驗（1912年）假想實驗明顯違反了熱力學(xué)第二定律，是永動機的一種，因此不可能實現(xiàn)。盡管系統(tǒng)存在非對稱性（棘齒），但它并不足以引起定向轉(zhuǎn)動。實際上，棘爪本身也處于小的熱漲落環(huán)境中。整個系統(tǒng)（棘爪與葉片）都處于同一溫度的熱庫中，平衡態(tài)使得系統(tǒng)的非對稱性被抵消。近年來由于在生物學(xué)、物理實驗等很多方面定向輸運研究的進展使分子馬達研究成為熱點。細胞內(nèi)輸運過程的研究，特別是分子馬達與分子泵的生化問題直接推動了布朗馬達的研究。1986年Tsong、Astumian與合作者用棘齒效應(yīng)解釋了有關(guān)生物實驗，并將定向輸運問題與分子泵聯(lián)系起來。3.產(chǎn)生定向輸運的兩個條件熱平衡的破壞在熱平衡狀態(tài)下，有定向運動意味著系統(tǒng)可以從單一熱源吸收熱量而轉(zhuǎn)化為宏觀運動的功。某種對稱性(symmetry)的破缺空間反演對稱性(spatialinversionsymmetry)時間反演對稱性(timeinversionsymmetry)正向流，反向流不同種類和尺寸的粒子會有不同的定向輸運流和擴散速度。應(yīng)用于混合顆粒體系的分離。在用來進行DNA片斷及細小顆粒體系的分離，達到了很好的效果。要產(chǎn)生定向流，必須有對稱性產(chǎn)生破缺，根據(jù)對稱性破缺的方式，將棘齒系統(tǒng)分成兩類：脈動棘齒(pulsatingratchets)：非平衡擾動不影響勢的空間周期性但令勢隨時間變化。（勢顯含時間，y(t)=0）傾斜棘齒(tiltingratchets)：非平衡擾動雖然總平均為零，卻帶來了外加的驅(qū)動力。（外力顯含時間，f(t)=0）兩大類脈動棘齒：a.漲落勢棘齒(fluctuatingpotentialratchets)V(x,f(t))=V(x)[1+f(t)]當時，稱為開關(guān)棘齒(on-offratchets)，或閃爍棘齒(flashratchets)。b.行波勢棘齒(travelingpotentialratchets)V(x,f(t))=V(x-f(t))兩大類傾斜棘齒漲落力棘齒(fluctuatingforceratchets)

y(t)是隨機的。b.搖擺棘齒(rockingratchets)

y(t)隨時間周期變化。搖擺棘齒在實驗上較受重視，因為比較容易控制。二、閃爍棘齒引起的集體定向運動模型模型的緣起：FK模型當一個系統(tǒng)具有兩個或兩個以上相互競爭的空間尺度時，系統(tǒng)就存在空間調(diào)制結(jié)構(gòu)，并存在一類復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相變，稱為公度－非公度相變(commensurate–incommensuratephasetrans