Активная мягкая материя с регулируемым межчастичным взаимодействием: Разработка эффективных методов анализа и поиск новых динамических режимов вдали от равновесия

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-72-10161

НазваниеАктивная мягкая материя с регулируемым межчастичным взаимодействием: Разработка эффективных методов анализа и поиск новых динамических режимов вдали от равновесия

Руководитель Крючков Никита Павлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова конденсированная мягкая материя, коллоидные системы, активная материя, молекулярная динамика, эксперименты с кинетическим уровнем разрешения, управляемые взаимодействия, фазовые переходы, двумерные системы

Код ГРНТИ29.19.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Системы активных (самодвижущихся) частиц широко представлены в природе и технических системах и могут быть обнаружены на самых разных масштабах. Примеры включают активную неживую и живую мягкую материю (коллоидные системы и эмульсии, цитоскелеты биологических клеток, бактериальные колонии, клетки тканей многоклеточных организмов), социальные системы (рои насекомых, косяки рыб, стаи птиц, стада животных, скопления пешеходов и толпы людей), а также мультиагентные робототехничсекие системы (транспортные средства, автономные аппараты). Такие системы, как правило, являются открытыми, неравновесными и могут демонстрировать сложную, нерегулярную коллективную динамику с образованием различных диссипативных структур, а потому представляют существенный интерес с фундаментальной и прикладной точки зрения для физики мягкой материи, статистической физики, физики неравновесных процессов, социальных и сложных технических систем. Коллективная динамика самодвижущихся частиц играет ключевую роль в таких процессах как: обеспечение функционирования биологических клеток, смешивание и транспорт питательных веществ в микробиологических системах, развитие эмбрионов и формирование органов, заживление ран, рост и распространение опухолей, формирование различных экосистем. К областям потенциального практического применения активных систем относятся: медицинские приложения, задачи детоксификации и очистки окружающей среды, технологии управления формой мембранных объектов, задачи приведения микро-объектов в движение, разработка самовосстанавливающихся материалов, синтез новых мягких и функциональных материалов с регулируемыми свойствами. Регулируемое (при помощи электрических, магнитных, химических, световых полей) взаимодействие между частицами может оказаться эффективным инструментом управления их активностью и коллективной динамикой. Детальное понимание динамических режимов вдали от равновесия необходимо для разработки технологий управления активной мягкой материей и мультиагентными системами, но, за исключением некоторых частных случаев, эта значимая научная проблема остается слабо изученной. Настоящий проект направлен на развитие методов описания динамических режимов в системах активных микрочастиц и на выявление роли управляемого межчастичного взаимодействия в их неравновесной динамике. Будет использован комплексный подход, сочетающий теоретические, экспериментальные и вычислительные исследования. В рамках настоящего проекта будет проведено обобщение ранее предложенного балансового подхода для описания диссипативных фазовых диаграмм на системы активных коллоидных суспензий. Будут проведены оригинальные эксперименты с активными коллоидными суспензиями в присутствии регулируемых управляемых взаимодействий, индуцированных при помощи технологии, разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана (генерация быстро вращающегося электрического/магнитного поля в коллоидной системе). Будет проведено компьютерное моделирование методом молекулярной динамики, дополняющее экспериментальные результаты. В результате выполнения проекта будут получены новые закономерности, характеризующие динамику активных систем, которые представляют значительный интерес для современной физики мягкой материи. Полученные результаты будут иметь практическую ценность, поскольку позволят анализировать динамические режимы активных систем, широко представленных во многих физических, химических, биологических, технических и социальных системах. Более того, в результате выполнения настоящего проекта мы ожидаем найти новые перспективные пути управления динамическими режимами активных систем посредством регулирования межчастичных взаимодействий. Благодаря этому, результаты будут носить междисциплинарный характер и будут интересны широкому кругу исследователей и инженеров, работающих в области физики мягкой материи, статистической физики, физики неравновесных процессов, коллоидной химии, микрофлюидики, наук о материалах, нелинейной динамики и коллективного поведения (behavioral science) живых и неживых организмов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Крючков Н.П., Юрченко С.О. Collective excitations in active fluids: Microflows and breakdown in spectral equipartition of kinetic energy The Journal of Chemical Physics, Volume 155, Issue 2, Article Number 024902 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0054854

2. Крючков Н.П., Юрченко С.О. Коллективные возбуждения в активных жидкостях: микропотоки и нарушение спектрального равнораспределения кинетической энергии XХ Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", Тезисы, XХ Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", стр. 100-101 (год публикации - 2021)

3. Корсакова С.А., Крючков Н.П., Яковлев Е.В., Быстров Д.А. и С.О. Юрченко Динамика анизотропных частиц во внешних вращающихся электрических полях XХ Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", езисы, XХ Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", стр. 94-96 (год публикации - 2021)

4. Насыров А.Д., Гурский К.Д., Юрченко С.О., Крючков Н.П. Фазовое расслоение двумерных активных систем в условиях динамики Ланжевена XХ Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", езисы, XХ Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", стр. 123-124 (год публикации - 2021)

5. Н.П. Крючкова, В.Н. Манцевича и С.О. Юрченко Interacting Oscillators with Fluctuating Coupling: Mode Mixing without Cross-Correlations Physical Review Letters, Physical Review Letters, 2022, 129(3), 034102 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevLett.129.034102

6. Дмитрюк Н.А., Мистрюкова Л.А., Крючков Н.П., Храпак С.А., Юрченко С.О. Diffusion mobility increases linearly on liquid binodals above triple point Scientific Reports, vol 13, 2815 (год публикации - 2023)
10.1038/s41598-022-26390-w

7. Н.П. Крючков, А.Д. Насыров, К.Д. Гурский, С.О. Юрченко Inertia changes evolution of motility-induced phase separation in active matter across particle activity Physical Review E, 107, 044601 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevE.107.044601

8. Гурский К.Д., Юрченко С.О., Крючков Н.П. Моделирование формирования вертикальных струн коллоидных частиц во внешних вращающихся полях XXI Всероссийская конференция «Проблемы физики твердого тела и высоких давлений», ФИАН, Москва, Том 1, стр 55 (год публикации - 2022)

9. Корсакова С. А., Насыров А. Д. и Крючков Н.П. Моделирование динамики анизотропных коллоидных частиц во внешних вращающихся электрических полях XXI Всероссийская конференция «Проблемы физики твердого тела и высоких давлений», ФИАН, Москва, Том 1, стр. 87 (год публикации - 2022)

10. Крючков Н.П., Гурский К.Д., Насыров А.Д., Юрченко С.О. Расчет фазовой диаграммы системы самодвижущихся частиц с учетом мультистабильности состояний XXI Всероссийская конференция «Проблемы физики твердого тела и высоких давлений», ФИАН, Москва, Том 1, стр. 93 (год публикации - 2022)

11. Быстров Д.А., Корсакова С.А., Крючков Н.П., Яковлев Е.В., Симкин И.В., Юрченко С.О. Вращающиеся стержнеобразные коллоиды во вращающемся электрическом поле Необратимые процессы в природе и технике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Том 1, стр. 42 (год публикации - 2023)

12. Гурский К.Д., Широкова А.А., Симкин И.В., Яковлев Е.В., Крючков Н.П., Юрченко С.О. Самосборка вертикальных струн магнитных коллоидных частиц во внешних управляющих магнитных полях Необратимые процессы в природе и технике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Том 1, стр. 70 (год публикации - 2023)

13. Насыров А.Д., Гурский К.Д., Юрченко С.О., Крючков Н.П. Расчет динамики самодвижущихся частиц при наличии мультистабильности состояний Необратимые процессы в природе и технике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Том 1, стр. 448 (год публикации - 2023)

14. Денисенко И.Р., Крючков Н.П., Юрченко С.О. Исследование влияния пиннинга в коллоидных системах с регулируемым межчастичным взаимодействием на транспортные свойства Необратимые процессы в природе и технике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Том 1, стр. 78 (год публикации - 2023)

15. Шишков И.Н., Широкова А.А., Крючков Н.П. Моделирование цепочечных структур магнитных коллоидных частиц с управляемыми взаимодействиями в условиях сильного вертикального конфайнмента Необратимые процессы в природе и технике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Том 1, стр. 274 (год публикации - 2023)

Публикации