Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За отчетный период, в полном соответствии с ранее сформированным планом работ, был проведен комплекс теоретических, вычислительных и экспериментальных работ, что позволило достигнуть следующих результатов: 1) Изучена динамика двумерной жидкости активных броуновских частиц в условиях динамики Ланжевена с парными изотропными отталкивающими взаимодействиями для различных наборов вращательного и поступательного демпинга в системе. Установлено, что активность может приводить к нарушению равномерности спектрального распределения кинетической энергии частиц как по пространственным масштабам, так и между продольной и поперечной поляризациями, что связано с локальным нарушением симметрии и возникновением микро-потоков на масштабах сопоставимых с несколькими межчастичными расстояниями. 2) Систематически изучен сценарий формирования фазового расслоения (Motility-induced phase separation) в двумерной системе активных частиц в условиях динамики Ланжевена с парными изотропными отталкивающими взаимодействиями. Установлено, что по мере увеличения активности частиц система сменяет несколько динамических режимов, переходы между которыми отчетливо видны на зависимостях dK(A)/dA в виде изломов, где K(A) – средняя кинетическая энергия системы при заданной активности, A – магнитуда активной силы, действующей на частицы. 3) Предложен новый подход идентификации фаз в двумерных системах, который основан на разбиении системы на Ячейки Вороного и расчете нового параметра порядка. Предложенный подход требует только информацию о положении частиц в системе (желательно на нескольких кадрах для повышения стабильности результата) и не имеет никаких подгоночных параметров. 4) Установлено, что балансовый подход позволяет описать зависимость средней кинетической энергии в однородных фазах активных частиц от величины демпинга. 5) Экспериментально изучена динамика анизотропных коллоидных частиц во внешних вращающихся электрических полях. Установлено, что в зависимости от степени анизотропии коллоидные частицы могут демонстрировать 3 режима динамики: (i) монотонное вращение; (ii) чередование колебаний ориентации частицы около некоторого выделенного направления с резкими поворотами; (iii) колебания ориентации частицы около некоторого выделенного направления без поворотов. Предложена математическая модель, описывающая наблюдаемые явления, справедливость которой продемонстрирована с помощью сопоставления результатов с экспериментальными данными. 6) Проведены пилотные эксперименты по изучению бинарных систем активных (вытянутые коллоидные частицы, активные ротаторы) и пассивных коллоидных частиц во внешних вращающихся электрических полях. В результате анализа экспериментальных результатов установлено, что рассмотренные системы могут демонстрировать разные типы динамики.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За отчетный период в соответствии с заявленным планом был проведен комплекс взаимодополняющих теоретических, вычислительных и экспериментальных работ, который позволил достигнуть следующих ключевых результатов: 1) Систематически изучено поведение восприимчивости dK(A)/dA кинетической энергии К к активности А двумерной системы активных (самодвижущихся) частиц в условиях динамики Ланжевена в процессе формирования расслоения, обусловленного активностью. Установлено, что при увеличении активности A самодвижущихся частиц двумерной системы, можно выделить 6 динамических режимов, различающихся: поведением восприимчивости dK(A)/dA, фазовым составом, мощностью энерговыделения (обусловленного активностью), а также коллективным поведением кристаллической фазы. 2) В результате численного и аналитического анализа показано, что в системе двух стохастических осцилляторов, со стохастической связью может наблюдаться взаимное влияние спектров при отсутствии кросс-корреляции между скоростями осцилляторов (в спектрах одного осциллятора прослеживаются следы второго, как это наблюдается в случае спектров элементарных возбуждений в жидкостях) если функция распределения параметра связи является четной. 3) Разработана и реализована в виде программного кода на языке C++/CUDA математическая модель системы, образованной вытянутыми коллоидными частицами (как одинаковыми, так и разными), находящимися во внешнем вращающемся электрическом поле. Установлено, что кластеры анизотропных коллоидных частиц и бинарные кластеры (анизотропные + изотропные частицы) во внешних изотропных и анизотропных вращающихся электрических полях могут демонстрировать широкий спектр динамических состояний, включая: кристаллиты с выделенным (или без него) направлением ориентации частиц; кристаллиты с замороженным ядром, но с интенсивным течением на поверхности; кристаллиты, имеющие высокий уровень упорядоченности, но демонстрирующие постоянную локальную перестройку за счет скачкообразных поворотов анизотропных частиц и др. 4) Изучена коллективная динамика системы самодвижущихся агентов, способных к формированию динамических кластеров различной конфигурации. Выявлено, что практически во всей области фазовой диаграммы наблюдается мультистабильность динамических режимов: при одних и тех же параметрах системы, в зависимости от начальных условий система может демонстрировать различные динамические режимы. Рассчитаны вероятности формирования соответствующих динамических режимов. 5) Показано, что появление активности у коллоидных частиц приводит к искажению структуры вихревых течений, которые могут быть сформированы в системе при помощи оптического излучения, и перераспределению поля плотности коллоидных частиц в системе. При этом, искажения являются слабыми вплоть до момента формирования расслоения, обусловленного активностью, при котором структура вихревых течений существенным образом изменяется. 6) Показано, что бактерии Escherichia coli (e.coli) и анизотропные частицы микрокристаллической целлюлозы во внешних вращающихся изотропных и анизотропных полях демонстрируют динамику, схожую с динамикой анизотропных частиц диоксида кремния: вращение уединенных бактерий/частиц в изотропных полях; скачкообразное вращение в анизотропных полях; кластеры с развитыми поверхностными течениями или глобальное упорядочение ориентации в анизотропных полях. За отчетный период опубликована работа JCP 155, 024902 (2021) (Q1 WoS/Scopus), две работы поданы в журналы Q1 WoS/Scopus и на момент подготовки отчета находятся на этапе ревизии после рецензирования, представлено 10 выступлений на различных конференциях, включая международные. По материалам проекта подготовлена выпускная магистерская одного из исполнителей.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения третьего этапа проекта был проведен комплекс теоретических, вычислительных и экспериментальных работ, в результате которого получены следующие ключевые результаты: - Исследована роль трансляционного демпинга в обнаруженном ранее (в рамках проекта) сценарии формирования расслоения, вызванного активностью самодвижущихся частиц в условиях динамики Ланжевена. Установлено, что развитая структура переходов наблюдается только на промежуточных значениях трансляционного демпинга, в то время как при увеличении или уменьшении значений, линии переходов начинают «схлопываться». По результатам исследования опубликована статья в журнале Phys. Rev. E, относящемся к первому квартилю Q1. - Финализированы работы по изучению динамики пары связанных стохастических осцилляторов, связь между которыми также является стохастической. Результаты опубликованы в журнале Phys. Rev. Lett., относящемся к первому квартилю Q1. - Выведены аналитические соотношения, связывающие параметры модели динамики уединенных коллоидных частиц-палочек (разработанной ранее в проекте) во внешних вращающихся электрических полях с их диэлектрическими характеристиками и параметрами поля. По итогам проведения работ подготовлена статья и отправлена в научный журнал. - Подготовлена и отправлена в журнал статья по результатам изучения коллективной динамики системы активных частиц, способных к формированию роев различной конфигурации. - Выполнены дополнительные симуляции системы самодвижущихся коллоидных частиц, формирующих вихревые течения под действием внешнего оптического излучения. Проанализированы корреляции скорость-скорость при различных параметрах системы. Обнаружено, что даже малая магнитуда внешнего поля, может оказывать заметное влияние на корреляции скорость-скорость и в целом на коллективную динамику системы. - Выявлена новая универсальная закономерность поведения подвижности частиц в различных жидкостях, состояние которых соответствует жидкостной ветви бинодали жидкость-газ. По результатам исследования опубликована статья в журнале Scientific Reports, относящемуся к первому квартилю Q1. - Изучено формирование вертикальных коллоидных «струн» во внешних магнитных полях при помощи систематического компьютерного моделирования. Показано, что экспериментальные наблюдения с высокой точностью совпадают с данными моделирования методом молекулярной динамики, где индуцированное взаимодействие описано в рамках приближения диполь-дипольного взаимодействия постоянных диполей. Выявлен сценарий формирования таких струн. - В результате экспериментальных исследований показано, что в бинарных системах коллоидных сферических частиц диоксида кремния и вытянутых частиц микрокристаллической целлюлозы во внешних вращающихся управляющих электрических полях существует тенденция к формированию локальных конфигураций, в которых сферические частицы формируют вытянутые сгустки, расположенные ортогонально к ближайшим вытянутым частицам микрокристаллической целлюлозы. По результатам выполнения проекта за третий этап опубликовано 3 статьи в журналах, относящихся к квартилю Q1, еще 2 статьи поданы и находятся на этапе рассмотрения; представлено 9 докладов на всероссийских и международных конференциях; защищена магистерская диссертация по направлению подготовки «Техническая физика», кроме того материалы проекта войдут в бакалаврские квалификационные работы по направлению подготовки «Техническая физика» в МГТУ им. Н.Э. Баумана трех исполнителей проекта, защита которых назначена на июнь 2023 года.