Особенности трехмерной динамики активных частиц с поступательной и вращательной инерцией

За последние 7 лет в «Web of Science» наблюдается более чем 10-кратный рост цитируемости публикаций по активной материи – особой форме «мягкого» конденсированного вещества, которая представляет собой дисперсионную среду, содержащую мелкодисперсные активные частицы. Несмотря на свою простую форму и отсутствие подвижных частей, такие частицы (также называемые нано- и микромоторами) способны автономно преобразовывать доступную в окружающей среде энергию в собственное направленное движение. Системы таких частиц представляют большой интерес для статистической механики и материаловедения, имеют множество перспективных приложений: от чисто технических до биомедицинских. Синтетические активные частицы являются идеальными строительными блоками для динамической самосборки функциональных микроструктур нового поколения, способных выполнять специфические задач автономным и целенаправленным образом. Коллоидное активное вещество является перспективным в контексте разработки новых материалов с «программируемым» откликом. Появляются также приложения, связанные с биохимическим анализом, сепарацией вещества, коллективной доставке груза и утилизации энергии хаотического движения. Активное броуновское движение в жидкой среде является сильно демпфированным. Поэтому в подавляющем большинстве теоретических работ движение активных частиц рассматривается без учета инерции. Однако при понижении вязкости среды или усилении вращательной диффузии (за счет внутренних активных процессов или внешнего воздействия) инерционные эффекты могут кардинально менять характер движения частиц на всех временных масштабах. И за последние 3 года появилось множество экспериментальных работ, в которых инерционные эффекты играют существенную роль, например: янус-частицы в плазме и сверхтекучем гелии; активные капли, скользящие по межфазной границе, так называемые "виброботы", движущиеся по твердой поверхности; управляемые внешними полями активные коллоидны; биофиламенты с молекулярными моторами; мини-роботы с сенсорными задержками, и т.д. Несмотря на большое разнообразие примеров, в литературе на сегодня отсутствует теоретическое описание движения активной броуновской частицы с поступательной и вращательной инерцией в поле детерминированных сил даже в двумерной постановке задачи. Более того, для ряда экспериментов динамику частиц нельзя рассматривать в двумерном приближении, поскольку в отличие от безынерционного режима, стохастическое вращение частицы с инерцией существенно зависит от количества вращательных степеней свободы. Целью данной работы является исследование совместного влияния пространственной размерности и инерции на динамику активной броуновской частицы. Будут рассматриваться как свободная частица, так и частица в ловушке. В общем виде аналитическое решение не представляется возможным, поэтому в работе будет выполнен поиск приближенных полуэмпирических решений с помощью поправок к аналитическим решениям, полученных в рамках модели активной частицы Орнштейна-Уленбека (AOUP). Для этого будет выполнено численное моделирование динамики активной броуновской частицы с различным числом вращательных степеней свободы с учетом её поступательной и вращательной инерции в широком диапазоне параметров задачи. Будут проанализированы средняя кинетическая энергия, среднеквадратичное смещение, автокорреляционные функции скорости и ориентации, кросскорреляционная функция скорости и движущей силы свободной и удерживаемой ловушкой частицы. Будет проведено сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными. Для этого будут получены и проанализированы траектории неоднородно поглощающей свет микросферы, левитирующей в страте тлеющего газового разряда постоянного тока при различной интенсивности лазерного нагрева поверхности частицы. Проект является междисциплинарным, поскольку затрагивает исследования пылевой плазмы, активных коллоидов и гранулированных систем.