Наукові відділи
Найважливіші наукові результати
Архів 2010-2015
Відділ Квантової теорії молекул та кристалів
- Запропоновано мікроскопічну модель квантових переходів в узагальненій системі багатьох енергетичних рівнів. На прикладі спрощеного опису кінетики станів гнучких макромолекулярних структур з ієрархією характерних часів враховано декілька механізмів варіації положень рівнів енергії системи. Зокрема, визначено внески від процесів початкової хаотизації положень рівнів, їхньої адіабатичної стохастизації, а також неадіабатичної релаксації. У загальному випадку хаотично розподілених флуктуаційних енергетичних рівнів, що слабко взаємодіють із зовнішнім середовищем, знайдено вираз для ймовірностей переходів між рівнями в аналітичному вигляді. Цей вираз містить явну залежність від розмірності рівнів, їхнього стохастичного розширення, кінетичних параметрів релаксаційного зв'язку для індукованих середовищем переходів, що призводить до формування фізичних умов для ефективного функціонування біомакромолекул.Е.Г. Петров, В.І. Тесленко, О.Л. Капітанчук, В.О. Леонов
- В рамках кінетичної теорії електронного транспорту в низьковимірних молекулярних системах досліджено механізм формування стаціонарних струмів, електролюмінесценції в молекулярному діоді з асиметричним зв'язком молекули з прилеглими електродами. Знайдено умови, за яких як фотострум, так і електролюмінесценція досягають своїх максимальних значень. Ці умови реалізуються тоді, коли під дією прикладеної до електродів різниці електричних потенціалів, а також електричного поля затвора, стани молекулярного діода з фотозбудженою молекулою стають нижчими за енергією, ніж стани із зарядженою молекулою. Виявлено, що у збудження молекули при резонансному режимі дають внесок як стрибковий механізм трансмісії електронів, так і непружне тунелювання електронів.Е.Г. Петров, Є.В. Шевченко, В.О. Леонов
- Розвинуто кінетичну модель функціонування кількафазової ліганд-рецепторної структури в конденсованому середовищі. Знайдено константу швидкості переходів між енергетичними рівнями системи при врахуванні її динамічних, флуктуаційних, ентропійних параметрів, а також концентрації ліганду, температури середовища. Встановлено, що для необоротної динаміки заселеностей рівнів концентраційні залежності їхніх пікових магнітуд стають аномальними. Зокрема, коефіцієнт переваг вихідного стану по відношенню до кооперативності перехідного процесу є дробовим, обмежуючись знизу величиною 2/е. Зроблено висновок, що наближення коефіцієнта переваг до граничного значення є критичним і веде до розпаду стабільності необоротної системи. При низьких температурах таке виникає у досить вузькому діапазоні швидкостей кінетичних стадій. Збільшення температури загашує ефект, що у свою чергу підвищує ступінь керованості перехідним процесом.В.І. Тесленко, О.Л. Капітанчук
- Індуковані поодиноким чи послідовністю коротких лазерних імпульсів перехідні струми через окрему молекулу, розміщену між двома сферичними металевими електродами, розраховано в рамках теорії матриць густини. Показано, що збудження поверхневих плазмонів у металевих електродах приводить до значного підсилення струму. Виявлено важливу роль релаксаційних процесів у молекулярній системі при формуванні не лише перехідних, а й усереднених за часом струмів через окрему молекулу. При аналізові поведінки усередненого за часом струму від різниці прикладених до електродів потенціалів виявлено прогресію електрон-коливальних сателітів молекули. Така прогресія може розглядатися як вид динамічно встановленої вольт-амперної характеристики молекули.Я.Р. Зелінський
- Досліджено впорядкованість класичних одновимірних структур зарядів у рівноважних станах кулонівських кластерів з утримувальним потенціалом, що породжується однорідним циліндричним фоном. Встановлено області параметрів, за яких структури постають ідеальними або наближаються до таких на скінченній довжині. Обговорюється специфіка фізичного механізму, відповідального за високу впорядкованість структур. Визначено характеристики ідеальних структур, наведено алгоритм для оцінок упорядкованості одновимірних структур у загальному випадку.С.Я. Горощенко
- Розвинуто теорію переносу триплетного збудження в донор-кисень-акцепторній системі. Показано, що молекула кисню може бути залучена в транспорт у якості містка, в якому її двічі вироджений збуджений стан бере участь у транспортному процесі як віртуальним, так і реальним чином. У першому випадку молекула кисню забезпечує когерентний перенос триплетного збудження від донора до акцептора, а в другому випадку забезпечує стрибковий механізм переносу того самого збудження. В якості додатка до теорії запропоновано механізм дистанційного когерентного, стрибкового переносу триплетного збудження від молекули хлорофілу до молекули каротиноїду.Е.Г. Петров
- Досліджено механізми формування струму і електролюмінесценціїї в системі "електрод-фотохромна молекула-електрод" за умов, коли електричне поле прикладено як до електродів, так і окремо до молекули. Показано, що виникнення струму, електролюмінесценції в зарядово нейтральній молекулі зумовлено стрибковим, тунельним механізмами переносу електронів. Знайдено умови резонансної трансмісії електронів крізь молекулу, за яких струм крізь молекулу, а також електролюмінесценція стають найбільш ефективними.Е.Г. Петров, О.Л. Капітанчук, В.О. Леонов, Є.В. Шевченко
- Методом функціоналу густини для терфенілтіазол-похідної молекули діарилетену досліджено зміни структурних, електронних характеристик внаслідок конформаційного фотоперемикання (закритий/відкритий стан), розраховано енергетичні бар'єри переходів між станами. Показано, що наявність молекулярного оточення може суттєво вплинути на висоту бар'єрів перехідного стану. Обґрунтовано ефект контрольованого електричним полем перемикання окремої молекули в моношарі, що спостерігається в експерименті.О.Л. Капітанчук
- Досліджено механізм формування перехідних струмів через окрему молекулу, розміщену між двома металевими електродами, до яких прикладена змінна у часі різниця потенціалів у вигляді одного чи послідовності коротких імпульсів. Розраховано перехідні, усереднені за часом струми, досліджено вплив релаксаційних процесів на їхнє формування. На основі таких розрахунків запропоновано метод визначення часу релаксації в молекулярній системі.Я.Р. Зелінський
- Запропоновано метод контролю релаксаційних переходів у квантовій системі за допомогою стохастичних полів, що створюються макроскопічним середовищем за врахування термодинамічних флуктуацій положень енергетичних рівнів. Шляхом усереднення стохастичного рівняння Ліувілля для матриці густини усієї системи знайдено керуюче кінетичне рівняння для ймовірностей заселення станів квантової системи, а також відповідні усереднені швидкості переходів між її станами. Показано, що швидкості переходів дозволяють єдиним чином описувати кінетичні процеси у наноскопічних системах як у випадку температурно незалежних переходів, так і в арреніусовському режимі, який реалізується для температурно активованих переходів.В.І. Тесленко, Е.Г. Петров
- В рамках моделі класичного кулонівського кластера з утримуючим потенціалом, що породжується однорідним циліндричним фоном, передбачено існування спіральних шарових структур зарядів. Шари розміщуються на осі циліндра перпендикулярно до осі. Показано, що самоорганізація зарядів у подібні структури, їхній розподіл в межах структур регулюються кулонівськими бар'єрами між шарами, точний профіль яких визначається геометричними, зарядовими параметрами кластераС.Я. Горощенко
- Досліджено механізм формування електролюмінесценції в лінійній молекулі, що знаходиться у контакті з металевими електродами. Показано, що електролюмінесценція стає можливою, якщо фотохромна група молекули відокремлена від електродів ковалентними зв'язками. Електролюмінесценція формується в умовах, коли різниця хімічних потенціалів між електродами починає перевищувати енергію збудження молекули, а перехід електрона від донуючого електрода до молекули відбувається резонансним шляхом. При цьому до збудження молекули дають внесок як стрибки електрона між електродами, молекулою, так і непружне міжелектродне тунелювання електрона з віртуальною участю зарядженого стану молекули.В.О. Леонов, Є.В. Шевченко, Е.Г. Петров
- З'ясована роль обмінної взаємодії між неспареними електронами оптично збудженої молекули у формуванні перехідного, стаціонарного струму в молекулярному діоді. Показано, що при слабкій обмінній взаємодії та, таким чином, незначній різниці в енергіях між синглетним, триплетним збудженими станами пікове, стаціонарне значення фотоструму мало відрізняються одне від одного. Однак, при великій обмінній взаємодії пікове значення фотоструму може перевищувати його стаціонарне значення на декілька порядків. Причина полягає в тому, що триплетний стан починає виконувати роль пастки для оптичного збудження, блокуючи перенос електрона від одного електрода до іншого.В.О. Леонов, Е.Г. Петров
- Проведено дослідження провідних властивостей лінійної органічної молекули, що містить локалізовані зв'язки. Показано, що за провідні властивості такої молекули відповідають електрони, які знаходяться на заповнених локалізованих орбіталях. При цьому трансмісія зарядів через молекулу обумовлена суперобмінною взаємодією між локалізованими орбіталями, а нелінійний струм, що виникає, пов'язаний з міжелектродним тунелюванням електронів за участі тих самих орбіталей. Результати теорії добре узгоджуються з експериментальними даними по провідності триметил-ацетилен молекули, що містить два потрійні, один подвійний хімічні зв'язки.О.Л. Капітанчук, Е.Г. Петров
- Запропоновано мікроскопічну модель нестаціонарної наносистеми, що контактує із конденсованим середовищем. На прикладі біомолекулярного рецептора з'ясовано роль флуктуацій середовища дихотомічного, трихотомічного типів у формуванні керування кінетичними, кооперативними властивостями рецептору. Встановлено, що порівняно із дихотомічними флуктуаціями наявність трихотомічних флуктуацій не впливає на можливість виникнення фрактальної кооперативності, яка є загальною для рецепторів, але завдяки ефекту стохастичного звужування ширини енергетичних рівнів може у декілька раз прискорювати їх температурно-незалежну десенситизацію.В.І. Тесленко
- Запропоновано кінетичну модель для опису послідовної електронної трансмісії через окрему молекулу розміщену між двома металевими наноелектродами, вставлену між двома нанорезонаторами. Розраховано спектр електролюмінесценсії і виявлено ефект її підсилення за умови коли енергія збудженого стану молекули знаходиться поблизу енергії поверхневих плазмонів нанорезонатора. Виявлено ефект вибіркового підсилення електрон-коливальних сателітів молекули, досліджено його властивості в залежності від відстані між двома нанорезонаторами.Я.Р. Зелінський
- Використовуючи кінетичну теорію електронного транспорту в нізьковимірних молекулярних системах, проведено дослідження процесу формування перехідних і стаціонарних струмів у системі "електрод-молекула-електрод". Розглянуто ситуацію, коли утворення струму викликано фотозбудженням молекули або зміною різниці потенціалів на електродах. З'ясовано визначальну роль непружного дистанційного (тунельного) перенесення електронів у зміні електронного стану молекули і, як наслідок, у формуванні трансмісійних каналів для стрибкових і тунельних компонент струму. Показано, що ефект непружного тунелювання особливо значний в умовах резонансної трансмісії електронів.Е.Г. Петров, В.О. Леонов, Є.В. Шевченко
- Отримано керуюче інтегро-диференційне рівняння для заселеностей відкритої квантової системи, що знаходиться під впливом високочастотного стохастичного поля. Показано, що при такому стохастичному впливі стає можливим усереднення керуючого рівняння, яке зведеться до огрубленого кінетичного рівняння для усереднених заселеностей. У якості прикладу отримано кінетичне рівняння, що описує транспорт електронів, збуджень у присутності високочастотного дихотомічного поля.Е.Г. Петров
- Побудовано мікроскопічну модель транспортуючої молекулярної наносистеми, для якої проаналізовано вплив температури на залежність константи швидкості переходів від концентрації діючої речовини. Показано, що для амплітуд еволюції заселеностей станів системи така залежність набуває аномального характеру, демонструючи „від'ємну" за Хіллом кооперативність. Встановлено, що цей ефект досягає максимуму тільки при низьких температурах, лише для гранично незворотних кінетичних стадій. Збільшення температури загашує ефект, що підвищує ступінь керованості транспортним процесом.В.І. Тесленко, О.Л. Капітанчук
- Запропонована мікроскопічна модель для опису спектрів поглинання, випромінювання супрамолекулярного комплексу розташованого поблизу сферичної металевої наночастинки. Виявлено зсув, уширення екситонних рівнів у спектрах поглинання, випромінювання супрамолекулярного комплексу, а також суттєве підсилення їх інтенсивностей, що обумовлене сильною взаємодією між молекулами, металевою наночастинкою. Знайдено умови, за яких відбувається просторово-часова локалізацію екситонного збудження у супрамолекулярному комплексі, що опромінюється коротким лазерним імпульсом. Показано, що така локалізація спричинена зміною сили осцилятора молекулярного комплексу, а також формуванням екситонного хвильового пакету.Я.Р. Зелінський
- Отримано аналітичні вирази для потенціалу, енергії електричного поля, що індукується фоном із порожниною,, також для потоків поля крізь зовнішню границю фона. Проаналізовано поведінку енергій, потоків у стиснутих (квазідвомірних) фонових розподілах. Показано, що в цьому випадку, за малих значень радіуса порожнини, енергія поля стабілізується на рівні константи, а потік електричного поля майже увесь зосереджується на торцях фонового розподілу.С.Я. Горощенко
- Досліджено процес формування перехідного, стаціонарного струмів у системах "електрод-молекула-електрод" в умовах швидкого перемикання різниці електричних потенціалів на електродах. Показано, що еволюція формування струмів визначається кінетикою переходів між станами нейтральної, зарядженої молекули. У якості конкретної системи було розглянуто молекулярний діод, де молекула містить дві активні просторово розділені структурні групи, що здійснюють контактний зв'язок з електродами. Показано, що слідом за швидким перемиканням різниці потенціалів відбувається різке збільшення струму, яке може значно перевищувати стаціонарний струм. Така поведінка обумовлена заряджанням молекули (при зміні різниці потенціалів від нуля до фіксованої величини) або розряджанням молекули (при зміні різниці потенціалів від кінцевої величини до нуля). Ефект виникнення великих струмів перемикання особливо значний, якщо зв'язок кожної зі структурних груп молекули із суміжним електродом значно відрізняється за величиною взаємодії.Е.Г. Петров, Є.В. Шевченко
- Побудовано мікроскопічну модель теплового збудження основного коливального стану молекули, що контактує з конденсованим середовищем. Отримано керуючі рівняння для еволюції заселеностей коливних рівнів. В аналітичному вигляді визначено константу швидкості, яка лімітує процес теплового збудження молекули. Показано, що при низьких температурах ця величина не залежить від температури, збігаючись за принципом невизначеності з верхньою границею для швидкості квантових переходів, а при високих температурах - лінійно росте з температурою згідно із співвідношенням Ейнштейна для швидкості адіабатичних переходів.В.І. Тесленко
- Для похідної молекули діарілітену методом функціоналу густини досліджено зміни структурних, електронних характеристик внаслідок конформаційного фотоперемикання (відкритий/закритий стан) молекул у моношарі на поверхні золота. З'ясовано, що структурний перехід від закритого до відкритого стану супроводжується розривом зв'язку і приводить до пониження повної енергії молекули, до розширення енергетичної щілини HOMO - LUMO. Показано, що розраховані конформації, відповідні профілі граничних до рівня Фермі молекулярних орбіталей діарілітену як для вільної ізольованої молекули, так і для системи "молекула + кластер золота" добре узгоджуються з зображеннями моношару, отриманими методом сканувальної тунельної мікроскопії з молекулярною роздільною здатністю. На основі співставлення результатів розрахунків з даними експерименту побудовано модель пакування молекул в моношарі як для закритого, так і для відкритого станів.О.Л. Капітанчук
- Розроблено напівкласичний підхід для опису лінійних, нелінійних оптичних властивостей складних органічних молекул розміщених в розчинах. Підхід базується на застосуванні класичних методів молекулярної динаміки для розрахунку міжмолекулярної взаємодії, опису динаміки розчинів у поєднанні з квантомеханічним описом електронних станів молекули. На основі даного підходу розраховано коефіцієнт поглинання супрамолекулярного комплексу, що містить декілька молекул феофорбіда а (Pheophorbid-a) у розчині молекул етанолу. Проведено якісне співставлення результатів розрахунку з експериментальними даними.Я.Р. Зелінський
- Виконано оцінки квантових кінетичних внесків до повної потенціальної енергії у рівноважних станах класичних 1D-електронних структур, отриманих в рамках моделі мезоскопічної електронної системи з електростатичним конфайнментом, породженим однорідним циліндричним фоном. Показано, що умова малості квантових внесків може бути реалізована через вимогу, щоб глибина самоузгоджених одноелектронних ям принаймні удвічі перевищувала енергію нульових коливань у цих ямах.С.Я. Горощенко
- Отримано керуюче кінетичне рівняння для ймовірностей реалізації станів квантової системи, що складається з окремих квантових підсистем. Рівняння дозволяє проводити опис процесів транспорту зарядів у різноманітних наноз'єднаннях, які виконують роль трансмітера частинок (електронів) і квазічастинок (магнонів і фононів). Особливу увагу приділено отриманню виразів для контактних, дистанційних констант швидкостей, що відповідають за формування послідовної (стрибкової), прямої (тунельної) компонент струму, а також за часову еволюцію ймовірностей реалізації станів системи, що розглядається.Е.Г. Петров
- Досліджена еволюція усереднених заселеностей квазі-ізоенергетичних станів молекулярної системи, що взаємодіє з термостатом, дискретним стохастичним полем дихотомічного або трихотомічного типів. Детально охарактеризована кінетика релаксаційних переходів у залежності від низько-, високочастотних параметрів флуктуацій рівнів молекулярної енергії. Показано, що при кімнатних температурах стохастичне розширення рівнів домінує над енергією низькочастотних коливань, які супроводжують переходи. Це веде до усунення температурної залежності зі швидкостей переходів у гнучких молекулярних структурах. Запропонований механізм температурно-незалежних реакцій добре пояснює як процеси десенситизації рецепторів болю в сенсорних нервових клітинах організму, так й стійку періодичність циркадних ритмів нервової системи, які за своєю природою є нечутливими до змін температур фізіологічного діапазону.Е.Г. Петров, В.І. Тесленко
- Розраховані концентрації інжектованих електричним полем зарядів у двовимірних шарах кристалу фулериту у структурі польового транзистора. Аналітично знайдено зв'язок між загальною кількістю носіїв заряду із реалістичним значенням величини прикладеного електричного поля в експериментальній структурі польового транзистора, оцінено максимально можливий ступінь допування молекул фулерену в граничному випадку прикладеної напруги затвора.О.Л. Капітанчук