Fayl dinamikasi - File dynamics

Atama fayl dinamikasi tor zarrada ko'plab zarrachalarning harakati.

Ilm-fan sohasida: yilda kimyo, fizika, matematika va tegishli sohalar, fayl dinamikasi (ba'zan chaqiriladi, bitta fayl dinamikasi) ning tarqalishi N (N → ∞) bir xil Braun qattiq sharlari uzunlikning kvazi-o'lchovli kanalida L (L → ∞), shunda sharlar bir-birining ustiga sakrab chiqmaydi va o'rtacha zarracha zichligi aniqlanadi. Ushbu jarayonning eng mashhur statistik xususiyatlari shundaki kvadrat shaklida siljishni anglatadi Fayldagi zarrachaning (MSD) quyidagicha, va uning ehtimollik zichligi funktsiyasi (PDF) Gauss o'zgaruvchan MSD bilan pozitsiyada.[1][2][3]

Asosiy faylni umumlashtiruvchi fayllardagi natijalarga quyidagilar kiradi:

  • Zichlik qonuni aniqlanmagan, lekin ko'rsatkich darajasi yuqori kuch qonuni sifatida parchalanadigan fayllarda a kelib chiqadigan masofa bilan kelib chiqadigan zarracha a ga ega MSD kabi tarozi, , Gauss bilan PDF.[4]
  • Bunga qo'shimcha ravishda, zarrachalarning diffuziya koeffitsientlari kuch qonuni singari ko'rsatkichi exp (kelib chiqishi atrofida) bilan taqsimlanganda, MSD quyidagicha, , Gauss bilan PDF.[5]
  • Yangilanadigan g'ayritabiiy fayllarda, ya'ni barcha zarrachalar birgalikda sakrashga harakat qilganda, lekin taqsimotdan sakrash vaqtlari ko'rsatkichi bilan kuch qonuni sifatida parchalanadi, -1 -a, aD kuchiga mos keladigan normal faylning MSD kabi MSD tarozi.[6]
  • Mustaqil zarrachalarning anomal fayllarida MSD juda sekin va tarozi o'xshash, . Bundan ham hayajonli, zarrachalar bunday fayllarda klasterlar hosil qilib, dinamik o'zgarishlar o'tishini belgilaydi. Bu anomaliya kuchiga bog'liq a: klasterlardagi zarrachalarning ulushi quyidagicha, .[7]
  • Boshqa umumlashmalar quyidagilarni o'z ichiga oladi: agar zarrachalar to'qnashganda doimiy ehtimollik bilan bir-birlarini chetlab o'tishlari mumkin bo'lsa, rivojlangan diffuziya ko'rinadi.[8] Zarrachalar kanal bilan o'zaro aloqada bo'lganda, sekinroq tarqalish kuzatiladi.[9] Ikki o'lchovga kiritilgan fayllar bitta o'lchamdagi fayllarning o'xshash xususiyatlarini ko'rsatadi.[7]

Asosiy faylni umumlashtirish muhim ahamiyatga ega, chunki ushbu modellar asosiy faylga qaraganda haqiqatni yanada aniqroq aks ettiradi. Darhaqiqat, fayllar dinamikasi ko'plab mikroskopik jarayonlarni modellashtirishda qo'llaniladi:[10][11][12][13][14][15][16] biologik va sintetik gözenekler va gözenekli materiallar ichidagi diffuziya, biologik yo'llar kabi 1D ob'ektlar bo'ylab tarqalish, polimerdagi monomer dinamikasi va boshqalar.

Matematik shakllantirish

Oddiy fayllar

Oddiy braun fayllarida, , qo'shma ehtimollik zichligi funktsiyasi Fayl tarkibidagi barcha zarralar uchun (PDF) oddiy diffuziya tenglamasiga amal qiladi:

 

 

 

 

(1)

Yilda , bu zarrachalarning vaqtdagi pozitsiyalari to'plamidir va bu zarrachalarning dastlabki vaqtdagi dastlabki pozitsiyalari to'plamidir (nolga o'rnatilgan). Tenglama (1) faylning qattiq shar xususiyatini aks ettiradigan tegishli chegara shartlari bilan hal qilinadi:

 

 

 

 

(2)

va tegishli dastlabki shart bilan:

 

 

 

 

(3)

Oddiy faylda dastlabki zichlik aniqlanadi, ya'ni, qayerda mikroskopik uzunlikni ifodalovchi parametrdir. PDF-larning koordinatalari buyurtmaga bo'ysunishi kerak: .

Bir hil bo'lmagan fayllar

Bunday fayllarda harakat tenglamasi quyidagicha,

 

 

 

 

(4)

chegara shartlari bilan:

 

 

 

 

(5)

va dastlabki shart bilan tenglama. (3), bu erda zarrachalarning dastlabki pozitsiyalari:

 

 

 

 

(6)

Fayllarning tarqalish koeffitsientlari PDF-dan mustaqil ravishda olinadi,

 

 

 

 

(7)

bu erda Λ fayldagi eng tez tarqalish koeffitsientini ifodalaydigan cheklangan qiymatga ega.

Yangilanish, anomal, heterojen fayllar

Yangilash-anomal fayllarda tasodifiy davr kutish vaqti ehtimoli zichligi funktsiyasidan mustaqil ravishda olinadi (WT-PDF; qarang Doimiy ravishda Markov jarayoni qo'shimcha ma'lumot olish uchun) shakl: , qayerda k parametrdir. So'ngra, fayldagi barcha zarrachalar ushbu tasodifiy davrda to'xtab turishadi, keyinchalik barcha zarrachalar fayl qoidalariga muvofiq sakrashga harakat qilishadi. Ushbu protsedura qayta-qayta amalga oshiriladi. Yangilash-anomal faylda zarrachalar PDF-ning harakat tenglamasi yadro bilan Braun faylining harakat tenglamasini yig'ishda olinadi. :

 

 

 

 

(8)

Mana, yadro va WT-PDF Laplas kosmosida, . (Funksiyaning Laplas konvertatsiyasi o'qiydi, .) Tenglama bilan birga keladigan aks etuvchi chegara shartlari. (8) Braun faylining chegara shartlarini yadro bilan yig'ishda olinadi , bu erda va braun faylida dastlabki shartlar bir xil.

Mustaqil zarrachalar bilan anomal fayllar

Anomal fayldagi har bir zarrachaga o'z sakrash vaqti chizilgan shakli tayinlanganda ( barcha zarrachalar uchun bir xil), anomal fayl yangilanish fayli emas. Bunday fayldagi asosiy dinamik tsikl quyidagi bosqichlardan iborat: faylda eng tez sakrash vaqti bo'lgan zarracha, masalan, zarracha uchun men, sakrashga urinish. Keyin, boshqa barcha zarralar uchun kutish vaqtlari o'rnatiladi: biz olib tashlaymiz ularning har biridan. Nihoyat, zarrachani kutish uchun yangi vaqt belgilanadi men. Yangilanmaydigan anomal fayllar va yangilanmagan anomal fayllar orasidagi eng muhim farq shundaki, har bir zarrachaning o'z soati bo'lganida, zarralar aslida vaqt maydonida ham bog'langan va natijada tizimdagi sustlik (natijada isbotlangan) asosiy matn). Mustaqil zarrachalarning anomal fayllaridagi PDF uchun harakat tenglamasi quyidagicha o'qiydi:

 

 

 

 

(9)

PDF-dagi vaqt argumenti ekanligini unutmang vaqt vektori: va . Barcha koordinatalarni qo'shish va integratsiyani tezroq vaqt tartibida bajarish (tartib konfiguratsiyalar maydonidagi bir xil taqsimotdan tasodifiy ravishda aniqlanadi) mustaqil zarrachalarning anomal fayllaridagi harakatning to'liq tenglamasini beradi (tenglamani o'rtacha ustiga o'rtacha shuning uchun konfiguratsiyalar qo'shimcha ravishda talab qilinadi). Darhaqiqat, hatto tenglama. (9) juda murakkab va o'rtacha narsa narsalarni yanada murakkablashtiradi.

Matematik tahlil

Oddiy fayllar

Tenglama echimi. (1)-(2) - bu Gausslarda paydo bo'ladigan barcha dastlabki koordinatalarning to'liq almashinuvi to'plami,[4]

 

 

 

 

(10)

Mana, indeks boshlang'ich koordinatalarining barcha almashtirishlariga o'tadi va o'z ichiga oladi almashtirishlar. Tenglamadan. (10), faylda belgilangan zarrachaning PDF-si, , hisoblanadi [4]

 

 

 

 

(11)

Tenglama (11), , ( belgilangan zarrachaning boshlang'ich sharti), va . Belgilangan zarracha uchun MSD to'g'ridan-to'g'ri tenglamadan olinadi. (11):

 

 

 

 

(12)

Bir hil bo'lmagan fayllar

Tenglama echimi. (4)-(7) ifodasi bilan yaqinlashadi,[5]

 

 

 

 

(13)

Tenglamadan boshlab. (13), heterojen faylda etiketli zarrachaning PDF-si quyidagicha,[5]

 

 

 

 

(14)

Geterogen fayldagi etiketli zarrachaning MSD-si tenglamadan olingan. (14):

 

 

 

 

(15)

Anomal heterojen fayllarni yangilash

Yangilash-anomal fayllarning natijalari shunchaki broun fayllaridan olingan. Birinchidan, PDF tenglamada (8) shartlari bilan yozilgan PDF birlashtirilmagan tenglamani, ya'ni broun fayl tenglamasini hal qiladi; bu munosabat Laplas makonida amalga oshiriladi:

 

 

 

 

(16)

(Pastki yozuv nrml normal dinamikani anglatadi.) tenglamadan. (16), bu to'g'ridan-to'g'ri bog'liqdir MSD Brownian heterojen fayllar va yangilanish-anomal heterogen fayllar,[6]

 

 

 

 

(17)

Tenglamadan. (18), deb topadi MSD ning normal dinamikasiga ega bo'lgan faylning bo'ladi MSD tegishli yangilanish-anomal faylning,[6]

 

 

 

 

(19)

Mustaqil zarrachalar bilan anomal fayllar

Mustaqil zarrachalar bilan anomal fayllar uchun harakat tenglamasi, (9), juda murakkab. Bunday fayllar uchun echimlarga masshtab qonunlarini chiqarishda va raqamli simulyatsiyalarda erishiladi.

Mustaqil zarrachalarning anomal fayllari uchun masshtablash qonunlari

Birinchidan, biz o'rtacha mutlaq siljish uchun o'lchov qonunini yozamiz (TELBA) doimiy zichlikka ega bo'lgan yangilanish faylida:[4][5][7]

 

 

 

 

(20)

Bu yerda, yopiq uzunlikdagi zarrachalar soni va bo'ladi TELBA erkin anomal zarrachadan, . Tenglama (20), masofadagi barcha zarrachalar hisob-kitoblarga kiradi Belgilangan zarracha masofaga etib borishi uchun teglangan joydan bir xil yo'nalishda harakat qilish kerak uning dastlabki holatidan. Tenglama asosida (20), biz mustaqil zarrachalarning anomal fayllari uchun umumiy miqyosli qonun yozamiz:

 

 

 

 

(21)

Tenglama o'ng tomonidagi birinchi muddat. (21) yangilanish fayllarida ham paydo bo'ladi; hali f (n) atamasi noyobdir. f (n) - bu anomal mustaqil zarrachalarni bir xil yo'nalishda harakatlanishi, bu zarrachalar haqiqatan ham bir xil yo'nalishda sakrab o'tishga harakat qilganda (atama bilan ifodalangan,), atrofdagi zarrachalar birinchi navbatda harakatlanishi kerak, shunda fayl o'rtasidagi zarrachalar harakatlanish uchun bo'sh joyga ega bo'lib, atrofdagilar uchun tezroq sakrash vaqtlarini talab qiladi. f (n) paydo bo'ladi, chunki g'ayritabiiy fayllarda sakrash uchun odatiy vaqt o'lchovi mavjud emas va zarralar mustaqil va shuning uchun ma'lum bir zarracha uzoq vaqt turishi mumkin, bu uning atrofidagi zarralar uchun rivojlanish imkoniyatlarini sezilarli darajada cheklaydi. , shu vaqt ichida. Shubhasiz,, qayerda f(n) Zarralar bir-biriga sakrab chiqqandan beri yangilanish fayllari uchun = 1, shuningdek mustaqil zarrachalar fayllarida ham , chunki bunday fayllarda sakrash uchun odatiy vaqt o'lchovi mavjud bo'lib, sinxronlashtirilgan sakrash vaqti hisoblangan. Biz zarrachalarning sakrash vaqtlari tartibi harakatni ta'minlaydigan konfiguratsiyalar sonidan f (n) ni hisoblaymiz; ya'ni tezroq zarralar doimo atrofga qarab joylashgan tartib. $ N $ zarralari uchun $ n $ mavjud! turli xil konfiguratsiyalar, bu erda bitta konfiguratsiya optimal hisoblanadi; shunday, . Shunga qaramay, optimal bo'lmasa-da, boshqa ko'plab konfiguratsiyalarda tarqalishi mumkin; m - harakatlanuvchi zarrachalar soni bo'lsa, u holda,

 

 

 

 

(22)

qayerda teglar atrofidagi m zarralar optimal sakrash tartibiga ega bo'lgan konfiguratsiyalar sonini hisoblaydi. Endi, m ~ n / 2 bo'lsa ham, . Tenglamada foydalanish. (21), ( 1) dan katta kichik son, biz ko'rib turibmiz,

 

 

 

 

(23)

(Tenglamada (23), biz foydalanamiz, .) Tenglama (23) mustaqil zarrachalarning anomal fayllarida asimptotik ravishda zarrachalar nihoyatda sekin ekanligini ko'rsatadi.

Mustaqil zarrachalarning anomal fayllarini raqamli tadqiq qilish

Shakl 1 501 g'ayritabiiy, mustaqil zarrachalar simulyatsiyasidan traektoriyalar (tavsiya etiladi: faylni yangi oynada ochish)

Raqamli tadqiqotlar natijasida, mustaqil zarrachalarning anomal fayllari klasterlar hosil bo'lishini ko'radi. Ushbu hodisa dinamik o'zgarishlar o'tishini belgilaydi. Barqaror holatda klasterdagi zarrachalarning ulushi, , quyidagilar,

 

 

 

 

(24)

1-rasmda biz 501 zarrachadan iborat faylda 9 zarrachadan traektoriyalarni ko'rsatamiz. (Faylni yangi oynada ochish tavsiya etiladi). Yuqori panellarda traektoriyalar ko'rsatilgan va pastki panellarda traektoriyalar ko'rsatilgan . Ning har bir qiymati uchun simulyatsiyalarning dastlabki bosqichlarida (chapda) va simulyatsiyaning barcha bosqichlarida (o'ngda) traektoriyalar ko'rsatilgan. Panellar klasterlar fenomenini namoyish etadi, bu erda traektoriyalar bir-birini o'ziga tortadi, so'ngra deyarli birga harakatlanadi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Harris T. E. (1965) "Zarrachalar orasidagi" to'qnashuvlar "bilan diffuziya", Amaliy ehtimollar jurnali, 2 (2), 323-338 JSTOR  3212197
  2. ^ Jepsen, D. W. (1965). "Qattiq tayoqlarning oddiy ko'p tanali tizimining dinamikasi". Matematik fizika jurnali. AIP nashriyoti. 6 (3): 405–413. doi:10.1063/1.1704288. ISSN  0022-2488.
  3. ^ Lebovits, J. L .; Perkus, J. K. (1967-03-05). "Kinetik tenglamalar va zichlikning kengayishi: To'liq echiladigan bir o'lchovli tizim". Jismoniy sharh. Amerika jismoniy jamiyati (APS). 155 (1): 122–138. doi:10.1103 / physrev.155.122. ISSN  0031-899X.
  4. ^ a b v d Flomenbom, O.; Taloni, A. (2008). "Bitta faylli va unchalik zich bo'lmagan jarayonlar to'g'risida". EPL (Evrofizika xatlari). IOP Publishing. 83 (2): 20004. arXiv:0802.1516. doi:10.1209/0295-5075/83/20004. ISSN  0295-5075. S2CID  118506867.
  5. ^ a b v d Flomenbom, Ophir (2010-09-21). "Faylda bir jinsli bo'lmagan qattiq sferalar dinamikasi". Jismoniy sharh E. 82 (3): 31126. arXiv:1002.1450. doi:10.1103 / physreve.82.031126. ISSN  1539-3755. PMID  21230044. S2CID  17103579.
  6. ^ a b v Flomenbom, Ophir (2010). "Yangilanish - anomal-heterojen fayllar". Fizika xatlari A. Elsevier BV. 374 (42): 4331–4335. arXiv:1008.2323. doi:10.1016 / j.physleta.2010.08.029. ISSN  0375-9601. S2CID  15831408.
  7. ^ a b v Flomenbom, O. (2011-05-18). "Mustaqil zarrachalarning anomal fayllarida klasterlash". EPL (Evrofizika xatlari). IOP Publishing. 94 (5): 58001. arXiv:1103.4082. doi:10.1209/0295-5075/94/58001. ISSN  0295-5075. S2CID  14362728.
  8. ^ Mon, K. K .; Percus, J. K. (2002). "Tor silindrsimon teshiklarda suyuqliklarning o'z-o'zini diffuziyasi". Kimyoviy fizika jurnali. AIP nashriyoti. 117 (5): 2289–2292. doi:10.1063/1.1490337. ISSN  0021-9606.
  9. ^ Taloni, Alessandro; Marchesoni, Fabio (2006-01-19). "Davriy substratdagi bitta faylli diffuziya". Jismoniy tekshiruv xatlari. Amerika jismoniy jamiyati (APS). 96 (2): 020601. doi:10.1103 / physrevlett.96.020601. ISSN  0031-9007. PMID  16486555.
  10. ^ Kärger J. va Ruthven D. M. (1992) Zeolitlarda va boshqa mikroskopik qattiq moddalarda diffuziya (Wiley, NY).
  11. ^ Vey, Q .; Bechinger, C .; Leiderer, P. (2000-01-28). "Bir o'lchovli kanallarda kolloidlarning bitta faylli diffuziyasi". Ilm-fan. Amerika ilm-fanni rivojlantirish bo'yicha assotsiatsiyasi (AAAS). 287 (5453): 625–627. doi:10.1126 / science.287.5453.625. ISSN  0036-8075. PMID  10649990.
  12. ^ de Gennes, P. G. (1971-07-15). "Ruxsat etilgan to'siqlar mavjudligida polimer zanjirini reptatsiya qilish". Kimyoviy fizika jurnali. AIP nashriyoti. 55 (2): 572–579. doi:10.1063/1.1675789. ISSN  0021-9606.
  13. ^ Richards, Piter M. (1977-08-15). "Bir o'lchovli sakrash o'tkazuvchanligi va diffuziya nazariyasi". Jismoniy sharh B. Amerika jismoniy jamiyati (APS). 16 (4): 1393–1409. doi:10.1103 / physrevb.16.1393. ISSN  0556-2805.
  14. ^ Maksfild, Frederik R (2002). "Plazma membranasi mikro domenlari". Hujayra biologiyasidagi hozirgi fikr. Elsevier BV. 14 (4): 483–487. doi:10.1016 / s0955-0674 (02) 00351-4. ISSN  0955-0674. PMID  12383800.
  15. ^ Biologik membrana ion kanallari: dinamikasi, tuzilishi va qo'llanmalari, Chung S-h., Anderson O. S. va Krishnamurthy V. V., muharrirlar (Springer-verlag) 2006 y.
  16. ^ Xovard J., Motor oqsillari mexanizmi va sitoskelet (Sinauer Associates Inc. Sunderland, MA) 2001 yil.