Upload
quasar
View
44
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
„Fizyka statystyczna modelowych agregatów cząsteczkowych”. Adam Gadomski Instytut Matematyki i Fizyki Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy [email protected] ; http://www.man.bydgoszcz.pl/~agad/pl/. Akademia Medyczna (... Collegium Medicum U.M.K.), Bydgoszcz, 19 listopad 2004. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
„Fizyka statystyczna modelowych
agregatów cząsteczkowych”
Adam Gadomski
Instytut Matematyki i Fizyki
Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy
[email protected]; http://www.man.bydgoszcz.pl/~agad/pl/
Akademia Medyczna (... Collegium Medicum U.M.K.), Bydgoszcz, 19 listopad 2004
Plan prezentacji:
1. Co to jest agregacja, a co aglomeracja materii, rozumiana na poziome jednego klasteru cząsteczkowego i jego skupień zwanych mega-klasterami (definicja robocza) ?
2. (Nie)uporządkowana agregacja na 1 zarodku – mechanizm z dołączaniem klasterów, równoważny tworzeniu skupionego mega-klasteru: scenariusz wg Smoluchowskiego-Kirkwooda-Stokesa (SKS)
3. (Nie)uporządkowana agregacja na 1 zarodku – mechanizm z tworzeniem warstwy podwójnej wokół agregatu molekularnego oraz stref zubożenia jonowego wokół pojedynczych klasterów: scenariusz wg Frenkela-Sterna-Poissona (FSP)
4. (Nie)uporządkowana agregacja na wielu zarodkach – mechanizm typu przemiany fazowej porządek –nieporządek: scenariusz wg Boltzmanna-Gibbsa-Onsagera (BGO)
CEL PREZENTACJI:
Próba wielowątkowego, acz możliwe prostego, przedstawienia
złożoności i trudności
wieloparametrowego procesu (nie)uporządkowanej agregacji materii wielkocząsteczkowej
za pomocą technik modelowania opartych o koncepcje
nierównowagowej fizyki statystycznej
N\* * Wielkość dynamiczna * Typ dynamiki
N>1
BGO
Objętość pojedynczego agregatu – zmienna stochastyczna v
Potencjały i ‘siły’ termodynamiczne, obecność entropowych barier
N=1
FSP
Promień zlepka cząsteczkowego R Fluktuująca prędkość cząsteczek – korelacje czasowo-przestrzenne, gł. typu algebraicznego, obecność sił losowych typu Stokesa-Langevina w środow. lepkim
SKS Masa zlepka M
(parametr oddziaływania typu Flory’ego-Hugginsa)
Proces stochastyczny (np., Poissona) N( t ) i jego charakterystyki
Legenda do Tabeli: POZIOM MODELOWANIA
BGO : Boltzmann-Gibbs-Onsager
SKS : Smoluchowski-Kirkwood-Stokes
FSP : Frenkel-Stern-Poisson
Sposoby modelowania agregacji (wielkich) cząsteczek – przegląd
Różnica między agregacją mało- i wielkocząsteczkową[na podstawie: M. Muthukumar, Advances in Chemical Physics, vol. 128, 2004]
(A)Agregacja na pojedynczym zarodku w środowisku lepkim – schemat „obrazkowy”,
(B) J.w., lecz agregacja na wielu zarodkach w środowisku lepkim
Schemat ideowy agregacji materii z tworzeniem skupisk cząsteczkowych w środowisku entropowym
ROLA TZW. WARSTWY PODWÓJNEJ W MODELOWANIU ZJAWISK AGREGACJI MATERII:
Cl-
WARSTWA STERNA
Powierzchnia rosnącej kulki
Na+
Dipol wodny
Makrojon proteiny
błądzenie
Perły smektyczne „zjednoczone” łącznikiem entropowym (N = 2000).[na podstawie: M. Muthukumar, Advances in Chemical Physics, vol. 128, 2004]
Podstawowe założenie o dążeniu do stałego TEMPA WZROSTU !• BO TO WAŻNE Z PKT.
WIDZENIA TECHNOLOGII (JAKICHKOLWIEK!)
• BO TO PROCES Z MAŁYMI STRATAMI, PRAWIE NIEDYSYPATYWNY ?!
• BO ... ŁATWIEJ LICZYĆ• BO DOŚWIADCZENIA
PODAJĄ TAKIE WARUNKI WZROSTU ...
WZROST KULKI W DOWOLNYM POLU ZEWNĘTRZNYM wg GLOBALNEGO PRAWA ZACHOWANIA
tt
tVtV
dVrcrCttdt
dm
1
11
1
t
drcdt
dmSj )]([
ttV
drcdVrcrCdt
dSj
tVtVtV
dVrcdVrCtm1
dVrCtmtV
1
1
tV tV1tV1tV
t t
1t 1t
rc
rc
rc
rC
rCrC
MECHANIZM ŁĄCZENIA KLASTERÓW: „SIEDZI” W KONSTRUKCJI WSPÓŁCZYNNIKA DYFUZJI
parameter oddziaływania typu polimer-rozpuszczalnik
Flory’ego-Hugginsa
1,.tan
..
tR
ccD
td
Rd
ustals
brzegzewn
ff dD
parametr geometryczny
(wymiar fraktalny zlepka
cząsteczkowego)
fD10
ttMD ch
0M
D
- masa początkowa zlepka
- zależna od masy zlepka konstrukcja współczynnika dyfuzji wg Kirkwooda-Risemana
cht -proporcjonalny do lepkości
czas charakterystyczny środowiska
STOCHASTYCZNA CZĘŚĆ MODELU Z WARSTWĄ PODWÓJNĄ
Równanie Langevina z tzw. szumem multiplikatywnym V(t):
)()( tVRAdt
dR
Jego (Fokkera-Plancka-Kołmogorowa) reprezentacja:
),(),( tRJR
tRPt
z ),()]()[(),()()()(),( 2 tRPR
RAtDtRPRAR
RAtDtRJ
oraz dssKtDt
0
)()( (współcz. dyfuzji; A (R)-znane!) + warunki początkowo-brzegowe
Model wzrostu agregatu na bazie MNET (Mesoscopic Nonequilibrium
Thermodynamics, Vilar & Rubi, PNAS 98, 11091 (2001)): strumień materii specyfikujemy w przestrzeni rozmiarów klasterów
R
tRPtRDtRP
RTk
tRD
Rt
tRP
B
),(),(),(
),(),(
Energia swobodna (entropowy potenciał): )(ln RATkB+ funkcja dyfuzji: 2)()(),( RAtDtRD
R
tRPtRDtRP
RTk
tRDtRJ
B
),(
),(),(),(
),(
Strumień materii w tzw. przestrzeni konfiguracyjnej:
Cześć czasowo-zależna D(R,t): 0
1 for)( ttttD (kinetyka dyspersyjna)
Dla bardzo małych mamy ... superdyfuzję !
0 0
WIELOZARODKOWY MECHANIZM ŁĄCZENIA SIĘKLASTERÓW
1
1 1
22
12
3
3 3
3
2 2
2
t t
tt
TYPOWA DWUWYMIAROWA MIKROSTRUKTURA W TZW. OBRAZIE MOZAIKI DIRICHLETA-VORONOI (WIGN.-SEITZ)
POCZĄTEK KONIEC
Dla agregacji z ciasnym upakowaniem w mega-klasterze
d-wymiarowa formuła na tempo wzrostu
tvRtktd
Rdwł .
1 d
Pochodna po czasie t objętości własnej
mega-klasteru
Odwrotność powierzchni
zlepka
Przed-czynnik zawierający ilościową
miarę efektów porządku-nieporządku
dxftxTS ),(1
PLATFORMA STARTOWA MODELOWANIA W NAJOGÓLNIEJSZEJ POSTACI: RÓWNANIE PRODUKCJI
ENTROPII GIBBSA
),( tx
- potencjał chemiczny, zależny od zmiennej stanu i czasu
- ozn. wariację entropii S (f-funkcja rozkładu klasterów)
POTENCJAŁY DLA CIASNYCH I ‘ROZSUNIĘTYCH’ MEGA-KLASTERÓW (-> MATRYCA LEPKOSPRĘŻYSTA !!!):
dxx 1)(
)ln()( xx
Modele BGO oraz FSP znakomicie „przechodzą” w JEDEN FORMALIZM nierównowagowej termodynamiki na poziomie mezoskopowym
Wydaje się, że entropowy charakter środowiska bardziej POMAGA NIŻ PRZESZKADZA w procesie agregacji cząsteczkowej
Wygląda na to, że charakter błądzenia makrojonów (oraz ich zlepków) w warstwie Sterna wokół zlepka przybiera postać niestandardową (SKS) , tj. inaczej zmieniającą się z
czasem niż w modelu Einsteina z 1905 roku [choć także potęgowo)
WNIOSKI & KIERUNKI „DALSZEGO ROZWOJU MODELU”
LITERATURA:
-D.Reguera, J.M.Rubì; J. Chem.Phys. 115, 7100 (2001)
- A.Gadomski, J.Łuczka; Journal of Molecular Liquids, vol. 86, no. 1-3, June 2000, pp. 237-247
- J.Łuczka, M.Niemiec, R.Rudnicki; Physical Review E, vol. 65, no. 5, May 2002, pp.051401/1-9
- J.Łuczka, P.Hanggi, A. Gadomski; Physical Review E, vol. 51, no. 6, pt. A, June 1995, pp.5762-5769
- A. Gadomski, J. Siódmiak; *Crystal Research & Technology, vol. 37, no. 2-3, 2002, pp.281-291; *Croatica Chemica Acta, vol. 76 (2) 2003, pp.129–136
-A.Gadomski, J. Siódmiak, Physica Status Solidi B, w druku (2004), 12 stron
- A.Gadomski, J.M.Rubì, Chemical Physics, vol. 293, 2003, pp.169-177
-A.Gadomski, J.M.Rubì, J. Łuczka, M. Ausloos, Chemical Physics, w druku (2004), 10 stron
-A.Gadomski, M. Ausloos, Lecture Notes in Physics (Springer-Verlag), w przygot. (2004), 18 stron
- M Muthukumar; Advances in Chemical Physics, vol. 128, 2004
Podziękowanie !!!
Dla Profesora Stefana Kruszewskiego z Zespołem za sympatyczne zaproszenie mnie
na wykład i ... cierpliwość w wysłuchaniu wykładu w wersji ‘nieuładzonej’ w dniu
17.11.2004 ...