Наукові відділи
Найважливіші наукові результати
- Відділ Астрофізики та елементарних частинок
- Відділ Фізики високих густин енергії
- Відділ Теорії квантових процесів у наносистемах
- Відділ Математичних методів в теоретичній фізиці
- Відділ Теорії нелінійних процесів в конденсованих середовищах
- Відділ Синергетики
- Відділ Теорії ядра і квантової теорії поля
- Відділ Теоретичної та обчислювальної біофізики
- Відділ Комп'ютерного забезпечення наукових досліджень і науково-технічної інформації
Відділ Теоретичної та обчислювальної біофізики
- Проведено молекулярно-динамічні симуляції п'яти систем з ДНК, молекули води та катіонами лужних металів (Lі⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺). На основі отриманих траєкторій були розраховані коливальні спектри елементів досліджуваних систем за допомогою двох незалежних підходів, що базуються на основі автокореляційних функцій швидкостей та автокореляційних функцій дипольних моментів. Аналіз інфрачервоних спектрів ДНК у розчинах із різними солями показав, що досліджувані іони мало впливають на коливальну динаміку атомних груп ДНК. Винятком є іони Lі⁺, вплив яких спостерігається в діапазоні спектра, де лежать коливання остова подвійної спіралі. За допомогою розрахованих спектрів густини коливальних станів катіонів, що локалізовані у різних областях ДНК було виявлено вплив характеру гідратації іонів на їх коливальну динаміку. Додатково були розраховані спектри густини коливальних станів молекул води гідратних оболонок досліджуваних іонів та показано, що в отриманих спектрах спостерігається ізобестична точка, яка виникає внаслідок стерничих обмежень, які спричинені поверхнею ДНК та, також, іонами.
Т.Л. Бубон, С.М. Перепелиця
- У роботі проаналізовано проблеми спостерігача та вимірювання в квантовій механіці, окреслені П. Діраком і Дж. Беллом, на основі критичного переосмислення класичних і сучасних підходів. Запропоновано нову аналітичну модель вимірювального експерименту, що дозволяє по-новому інтерпретувати роль вимірювання та обговорено її основні наслідки.
Є.С. Крячко
- Представлено модель деформації макромолекул ДНК, що враховує як зовнішні, так і внутрішні компоненти деформації та їх взаємозв'язок. Зовнішні компоненти описують скручування та розтягування подвійної спіралі, тоді як внутрішні характеризуються відносним зсувом структурних елементів всередині пар основ подвійної спіралі. Модель передбачає взаємодію між деформаціями скручування, розтягування та внутрішньою складовою. В результаті виявлено протиінтуїтивну поведінку: під дією сили розтягування подвійна спіраль ДНК може зазнавати збільшення скручування. Дана аномальна поведінка зберігається до досягнення певної критичної сили, після якої молекула демонструє більш звичайну поведінку, розкручуючись у відповідь на подальше розтягнення. Результати підкреслюють вирішальну роль взаємодії між внутрішніми та зовнішніми компонентами в механіці подвійної спіралі під впливом прикладеної сили в діапазоні піконьютонів. Модель добре узгоджується з експериментальними даними, що підтверджує її достовірність.
П.П. Каневська, С.Н. Волков
- Проведено дослідження структури розчинів ДНК з додаванням солі LіCl на основі вимірювань їхньої електропровідності в широкому температурному інтервалі. Встановлено, що присутність ДНК суттєво знижує електропровідність розчинів LіCl та зумовлює наявність трьох характерних концентраційних областей. У першій області концентрацій (0-0,3 М) електропровідність розчинів, що містять ДНК, зростає повільніше порівняно з електропровідністю відповідних розчинів LіCl без ДНК. У другій області (0,3-0,9 М) обидві системи характеризуються майже однаковою швидкістю зростання електропровідності. У третій області (понад 0,9 М) електропровідність розчинів ДНК знову зростає істотно повільніше, ніж у чистих сольових розчинах. Виявлені закономірності якісно пояснюються в межах розробленої моделі, яка пов'язує спостережувані ефекти з упорядкуванням іонів, індукованим макромолекулою ДНК, що обмежує їхню рухливість і зменшує внесок у процеси перенесення електричного заряду. Отримані результати вказують на перспективність використання таких систем у технологіях на основі ДНК, зокрема при розробці електролітних електрохімічних джерел струму.
С.М. Перепелиця
- Проведено квантово-хімічний аналіз комплексів Ag+ з азотистими основами ДНК, включаючи зв'язування Ag+ з атомом N1 тиміну, атомами N1 та N7 гуаніну та атомом N3 5-бромцитозину. Результати виявляють чіткі закономірності, що визначають стабільність цих систем: координаційна поведінка Ag+ сильно залежить від типу нуклеотидної основи та положення донорного атома. Електронейтральні комплекси Ag+ з атомом N3 тиміну та атомом N1 гуаніну продемонстрували найвищу термодинамічну стабільність. Натомість позитивно заряджені комплекси Ag+ з атомом N1 аденіну виявилися найменш стабільними, що пояснює експериментально спостережуване "вистрибування" аденіну з подвійної спіралі в металізованій Ag-ДНК. Порівняння обчислювальних підходів, використаних у цій роботі, показує, що функціонал B3LYP у поєднанні з моделлю сольватації SMD забезпечує найбільш придатний опис комплексів Ag+-нуклеотидних основ, оскільки він систематично дає нижчі енергії утворення, ніж B3LYP/PCM, і прогнозує довжини зв'язків Ag-N більш послідовно, ніж M062X. Результати забезпечують міцну теоретичну основу для інтерпретації структурних особливостей металізованої Ag-ДНК як перспективного нанорозмірного електронного матеріалу.
Є.С. Осокін, С.М. Перепелиця
- Підготовлено огляд, присвячений іон-ДНК взаємодіям як ключовому чиннику формування структурних і функціональних властивостей ДНК. Показано роль іонів у контролі гідратації, стабільності та компактизації макромолекули, а також узагальнено їх значення для прикладних застосувань у ДНК-нанотехнологіях, біосенсориці, доставці генетичного матеріалу та наноелектроніці. Підкреслено зростаючу роль комп'ютерного моделювання у прогнозуванні властивостей і проєктуванні наноматеріалів на основі ДНК.
С.М. Перепелиця, Т.Л. Бубон, Д.В. П'ятницький
- Розширено модель Менінга на випадок двовимірного масиву паралельних заряджених молекул поліелектроліту типу ДНК. Визначено вільну енергію системи та кількість сконденсованих іонів і показано, що за певних міжмолекулярних відстаней іони набувають колективного характеру та не належать іонній атмосфері окремої молекули, що є принципово важливим для розуміння поведінки іонної атмосфери ДНК у конденсованому стані.
Б.С. Решотка, С.М. Перепелиця
- Розглянуто проблему морфологічної класифікації галактик з набору даних Galaxy Zoo DECaLS, використовуючи класичні методи машинного навчання. Показано, що більшість класичних класифікаторів досягають найвищої продуктивності в поєднанні з LLE, досягаючи точності, порівнянної з точністю простих нейронних мереж. Більше того, у випадку класифікації форми тривимірне представлення залишається інтерпретованим, на відміну від часто спостережуваної втрати інтерпретованості після нелінійних перетворень. Також досліджено кластеризацію за k-середніми у зменшеній розмірності, щоб оцінити, чи демонструють дані природну тенденцію до певної кількості кластерів. Хоча оцінка за Девісом-Боулденом вказує на незначну перевагу чотирьох кластерів, що тісно пов'язано з класифікаціями, зробленими астрономами-людьми, інші показники не підтверджують чітку структуру кластеризації.
В.Б. Тимчишин
- Запропоновано метод машинного навчання, який вводить представлення XіEff - параметризацію ефективної сприйнятливості на основі нейронного поля. Переходячи до рівняння Ліппмана-Швінгера для ближньопольової оптики, було запропоновано стратегію оптимізації для реконструкції розподілу ефективної сприйнятливості безпосередньо з даних NFІ. Оптимізоване представлення XіEff забезпечує інтерпретовану та поясниму модель форми частинки. Оцінки на синтетично згенерованому наборі даних NFІ демонструють ефективність методу, що дозволяє досягти високого рівня ІoU навіть для складних геометрій. Крім того, підхід демонструє бажану стійкість до шумів вимірювань, що є вирішальною властивістю для практичного застосування.
В.Б. Тимчишин