Выпуски

 / 

2020

 / 

Апрель

  

Обзоры актуальных проблем


Управление нанотранспортом с помощью рэтчет-эффекта

  а, б,   а, б, §  в, *  б, г, д
а Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, ул. Моховая 11, кор. 7, Москва, 125009, Российская Федерация
б Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Институтский пер. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141701, Российская Федерация
в Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова 17, Киев, 03164, Украина
г Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, ул. А.Н. Косыгина 4, Москва, 119991, Российская Федерация
д Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Воробьевы горы, Москва, 119991, Российская Федерация

Направленное движение микро- и наночастиц может быть получено не только прямыми методами за счёт действия сил с ненулевым средним значением, задающих направление движения, но и в отсутствие таких сил в системах с нарушенной зеркальной симметрией под действием неравновесных флуктуаций различной природы (моторный, или рэтчет-эффект). В отличие от имеющихся в литературе обзоров по транспорту наночастиц, в данном обзоре особое внимание уделено принципам управления нанотранспортом с помощью рэтчет-эффекта, которое имеет различные практические приложения и, в частности, перспективно для целевой доставки лекарственных препаратов в живых организмах. Наглядно объяснены различные методы создания направленного движения в асимметричных средах посредством выпрямления неравновесных флуктуаций, подводящих энергию в систему и характеризующихся нулевым средним значением прикладываемых реальных или обобщённых сил. Подробно рассматриваются свойства и характеристики рэтчет-систем, их зависимости от температуры, силы нагрузки, особенностей периодического потенциального профиля, в котором движутся наночастицы, частоты флуктуаций этого профиля, его пространственной и временной асимметрии. Представлено систематическое описание факторов, определяющих направление движения рэтчет-систем.

Текст: pdf
Войдите или зарегистрируйтесь чтобы получить доступ к полным текстам статей.
English fulltext is available at IOP
Ключевые слова: управление нанотранспортом, управляемые диффузионные системы, рэтчет-эффект, броуновские моторы
PACS: 05.40.−a, 05.60.Cd (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2019.05.038570
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2020/4/a/
Цитата: Гуляев Ю В, Бугаев А С, Розенбаум В М, Трахтенберг Л И "Управление нанотранспортом с помощью рэтчет-эффекта" УФН 190 337–354 (2020)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 17 января 2019, доработана: 2 мая 2019, 22 мая 2019

English citation: Gulyaev Yu V, Bugaev A S, Rozenbaum V M, Trakhtenberg L I “Nanotransport controlled by means of the ratchet effectPhys. Usp. 63 311–326 (2020); DOI: 10.3367/UFNe.2019.05.038570

Список литературы (131) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (3) Похожие статьи (20)

  1. Капица П Л УФН 78 181 (1962); Kapitza P L Sov. Phys. Usp. 5 777 (1963)
  2. Шлиомис М И УФН 112 427 (1974); Shliomis M I Sov. Phys. Usp. 17 153 (1974)
  3. Гохштейн А Я УФН 170 779 (2000); Gokhshtein A Ya Phys. Usp. 43 725 (2000)
  4. Болотовский Б М, Серов А В УФН 173 667 (2003); Bolotovskii B M, Serov A V Phys. Usp. 46 645 (2003)
  5. Saxton M J Fundamental Concepts in Biophysics (Handbook of Modern Biophysics) Vol. 1 (Ed. T Jue) (New York: Humana, 2009) p. 147
  6. Иваницкий Г Р и др УФН 168 1221 (1998); Ivanitskii G R et al Phys. Usp. 41 1115 (1998)
  7. Caspi A, Granek R, Elbaum M Phys. Rev. E 66 011916 (2001)
  8. Herman I P Physics of the Human Body (Berlin: Springer, 2016)
  9. Генералов М Б (Ред.-сост.) Машины и аппараты химических и нефтехимических производств (М.: Машиностроение, 2004)
  10. Улащик В С Электрофорез лекарственных веществ (Минск: Беларуская Навука, 2010)
  11. Каргин В А (Гл. ред.) Энциклопедия полимеров Т. 1 (М.: Советская энциклопедия, 1972)
  12. Burke P J "Nanodielectrophoresis: electronic nanotweezers" Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 6 (Ed. H S Nalwa) (Stevenson Ranch, CA: American Scientific, 2004) p. 623
  13. Pethig R Dielectrophoresis. Theory, Methodology, and Biological Applications (Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2017)
  14. Pohl H A Dielectrophoresis: the Behavior of Neutral Matter in Nonuniform Electric Fields (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1978)
  15. Pohl H A J. Appl. Phys. 22 869 (1951)
  16. Pohl H A, Hawk I Science 152 647 (1966)
  17. Schwan H P Adv. Biol. Med. Phys. 5 147 (1957)
  18. Schwan H P, Foster K R Proc. IEEE 68 104 (1980)
  19. Micro-Fluidics Cut Cancer Test from a Day to an Hour, IMEC Tech Forum, 7 October 2009, https://www.electronicsweekly.com/news/products/fpga-news/micro-fluidics-cut-cancer-test-from-a-day-to-an-hour-imec-tech-forum-2009-10/
  20. Pommer M S et al Electrophoresis 29 1213 (2008)
  21. Choi J-W, Pu A, Psaltis D Opt. Express 14 9780 (2006)
  22. Mahabadi S, Labeed F H, Hughes M P Electrophoresis 36 1493 (2015)
  23. Labeed F H, Coley H M, Hughes M P Biochim. Biophys. Acta BBA Gen. Subjects 1760 922 (2006)
  24. Zheng L et al 2003 Third IEEE Conf. Nanotechnol. 2003 IEEE-NANO 2003 2 437 (2003)
  25. Reimann P Phys. Rep. 361 57 (2002)
  26. Hänggi P, Marchesoni F Rev. Mod. Phys. 81 387 (2009)
  27. Schadschneider A, Chowdhury D, Nishinari K Stochastic Transport in Complex Systems: From Molecules to Vehicles (Amsterdam: Elsevier, 2010)
  28. Goychuk I Beilstein J. Nanotechnol. 7 328 (2016)
  29. Cubero D, Renzoni F Brownian Ratchets: From Statistical Physics to Bio and Nano-Motors (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2016)
  30. Browne W R, Feringa B L Nature Nanotechnol. 1 25 (2006)
  31. Kay E R, Leigh D A, Zerbetto F Angew. Chem. Int. Ed. 46 72 (2006)
  32. Saha S, Stoddart J F Chem. Soc. Rev. 36 77 (2007)
  33. Cheng C, Stoddart J F Chem. Phys. Chem. 17 1780 (2016)
  34. Howard J Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton (Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2001)
  35. Романовский Ю Л, Тихонов А Н УФН 180 931 (2010); Romanovsky Yu M, Tikhonov A N Phys. Usp. 53 893 (2010)
  36. Bressloff P C, Newby J M Rev. Mod. Phys. 85 135 (2013)
  37. Chowdhury D Phys. Rep. 529 1 (2013)
  38. Kolomeisky A B Motor Proteins and Molecular Motors (Boca Raton, FL: CRS Press. Taylor and Francis Group, 2015)
  39. Hoffmann P M Rep. Prog. Phys. 79 032601 (2016)
  40. Белиничер В И, Стурман Б И УФН 130 415 (1980); Belinicher V I, Sturman B I Sov. Phys. Usp. 23 199 (1980)
  41. Lau B et al Phys. Rev. E 93 062128 (2016)
  42. Li C-P, Chen H-B, Zheng Z-G Front. Phys. 12 120502 (2017)
  43. Chauwin J-F, Ajdari A, Prost J Europhys. Lett. 27 421 (1994)
  44. Rozenbaum V M Письма в ЖЭТФ 88 391 (2008); Rozenbaum V M JETP Lett. 88 342 (2008)
  45. Wu S-H et al Nano Lett. 16 5261 (2016)
  46. Kedem O, Lau B, Weiss E A Nano Lett. 17 5848 (2017)
  47. Rozenbaum V M et al J. Chem. Phys. 145 064110 (2016)
  48. Rozenbaum V M, Shapochkina I V Phys. Rev. E 84 051101 (2011)
  49. Markin V S, Tsong T Y Biophys. J. 59 1308 (1991)
  50. Qian H, Elson E L Biophys. Chem. 101 565 (2002)
  51. Rozenbaum V M et al J. Phys. Chem. B 108 15880 (2004)
  52. Rozenbaum V M ЖЭТФ 137 740 (2010); Rozenbaum V M JETP 110 653 (2010)
  53. Astumian R D, Bier M Phys. Rev. Lett. 72 1766 (1994)
  54. Prost J et al Phys. Rev. Lett. 72 2652 (1994)
  55. Astumian R D J. Phys. Chem. 100 19075 (1996)
  56. Parrondo J M R et al Europhys. Lett. 43 248 (1998)
  57. Parmeggiani A et al Phys. Rev. E 60 2127 (1999)
  58. Palffy-Muhoray P, Kosa T, Weinan E Appl. Phys. A 75 293 (2002)
  59. Grimm A, Stark H Soft Matter 7 3219 (2011)
  60. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 83 051120 (2011)
  61. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 94 052140 (2016)
  62. Goychuk I Chem. Phys. 375 450 (2010)
  63. Goychuk I, Kharchenko V O Phys. Rev. E 85 051131 (2012)
  64. Goychuk I, Kharchenko V O Math. Model. Nature Phenom. 8 144 (2013)
  65. Lv W et al Physica A 437 149 (2015)
  66. Kharchenko V, Goychuk I New J. Phys. 14 043042 (2012)
  67. Goychuk I, Kharchenko V O, Metzler R PLoS ONE 9 e91700 (2014)
  68. Goychuk I, Kharchenko V O, Metzler R Phys. Chem. Chem. Phys. 16 16524 (2014)
  69. Goychuk I Adv. Chem. Phys. 150 187 (2012)
  70. Goychuk I Phys. Biology 12 016013 (2015)
  71. Kula J, Kostur M, Luczka J Chem. Phys. 235 27 (1998)
  72. Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин, Интерфакс, 5 октября 2016, http://www.interfax.ru/world/531163
  73. Press release: TheNobel Prize in Chemistry 2016, http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/press.html
  74. Зицерман В Ю и др Письма в ЖЭТФ 105 315 (2017); Zitserman V Yu et al JETP Lett. 105 335 (2017)
  75. Gorre-Talini L, Spatz J P, Silberzan P Chaos 8 650 (1998)
  76. Розенбаум В М, Шапочкина И В, Трахтенберг Л И УФН 189 529 (2019); Rozenbaum V M, Shapochkina I V, Trakhtenberg L I Phys. Usp. 62 496 (2019)
  77. Risken H The Fokker-Planck Equation: Methods of Solution and Applications (Berlin: Springer-Verlag, 1989)
  78. Bartussek R, Reimann P, Hänggi P Phys. Rev. Lett. 76 1166 (1996)
  79. Chialvo D R, Millonas M M Phys. Lett. A 209 26 (1995)
  80. Astumian R D, Hänggi P Phys. Today 55 (11) 33 (2002)
  81. Gorre-Talini L, Jeanjean S, Silberzan P Phys. Rev. E 56 2025 (1997)
  82. Okada Y, Hirokawa N Science 283 1152 (1999)
  83. Розенбаум В М ЖЭТФ 137 740 (2010); Rozenbaum V M JETP 110 653 (2010)
  84. Leibler S, Huse D A J. Cell Biol. 121 1357 (1993)
  85. Gilbert S P et al Nature 373 671 (1995)
  86. Hunt A J, Gittes F, Howard J Biophys. J. 67 766 (1994)
  87. Svoboda K, Block S M Cell 77 773 (1994)
  88. Rozenbaum V M, Chernova А А Surf. Sci. 603 3297 (2009)
  89. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 84 021104 (2011)
  90. Derényi I, Astumian R D Phys. Rev. E 58 7781 (1998)
  91. Zwanzig R J. Phys. Chem. 96 3926 (1992)
  92. Ai B, Liu L Phys. Rev. E 74 051114 (2006)
  93. Makhnovskii Yu A et al J. Chem. Phys. 146 154103 (2017)
  94. Reguera D et al Phys. Rev. Lett. 108 020604 (2012)
  95. Shi D et al Macromolecules 41 8167 (2008)
  96. Zhang H-J et al Macromol. Rapid Commun. 33 1952 (2012)
  97. Wambaugh J F et al Phys. Rev. Lett. 83 5106 (1999)
  98. Гольданский В И Докл. АН СССР 124 1261 (1959); Gol'danskii V I Sov. Phys. Dokl. 4 1172 (1959)
  99. Trakhtenberg L I, Klochikhin V L, Pshezhetsky S Ya Chem. Phys. 69 121 (1982)
  100. Гольданский В И, Трахтенберг Л И, Флеров В Н Туннельные явления в химической физике (М.: Наука, 1986); Пер. на англ. яз., Gol'danskii V I, Trakhtenberg L I, Fleurov V N Tunneling Phenomena in Chemical Physics (New York: Gordon and Breach Sci. Publ., 1989)
  101. Hänggi P, Talkner P, Borkovec M Rev. Mod. Phys. 62 251 (1990)
  102. Dogonadze R R, Kuznetsov A M, Levich V G Electrochim. Acta 13 1025 (1968)
  103. Reimann P, Grifoni M, Hänggi P Phys. Rev. Lett. 79 10 (1997)
  104. Linke H et al Science 286 2314 (1999)
  105. Lau B et al Mater. Horiz. 4 310 (2017)
  106. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 85 041116 (2012)
  107. Розенбаум В М и др Письма в ЖЭТФ 107 525 (2018); Розенбаум В М и др JETP Lett. 107 506 (2018)
  108. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 99 012103 (2019)
  109. Розенбаум В М Письма в ЖЭТФ 79 475 (2004); Розенбаум В М JETP Lett. 79 388 (2004)
  110. Doering C R, Dontcheva L A, Klosek M M Chaos 8 643 (1998)
  111. Parrondo J M R Phys. Rev. E 57 7297 (1998)
  112. Dekhtyar M L, Ishchenko A A, Rozenbaum V M J. Phys. Chem. B 110 20111 (2006)
  113. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 89 052131 (2014)
  114. Розенбаум В М и др Письма в ЖЭТФ 105 521 (2017); Rozenbaum V M et al JETP Lett. 105 542 (2017)
  115. Mielke A Ann. Physik 4 721 (1995)
  116. Kedem O, Caplan S R Trans. Faraday Soc. 61 1897 (1965)
  117. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 71 041102 (2005)
  118. Швед Н Ю, Шапочкина И В, Розенбаум В М Вестник Белорусск. гос. ун-та. Сер. 1 (2) 27 (2014)
  119. Huxley A F Prog. Biophys. Biophys. Chem. 7 255 (1957)
  120. Wang H, Oster G Appl. Phys. A 75 315 (2002)
  121. Розенбаум В М ФНТ 40 604 (2014); Rozenbaum V M Low Temp. Phys. 40 469 (2014)
  122. Savel'ev S et al Phys. Rev. E 70 066109 (2004)
  123. Porto M, Urbakh M, Klafter J Phys. Rev. Lett. 84 6058 (2000)
  124. Marchesoni F Phys. Lett. A 237 126 (1998)
  125. Prass B et al Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 102 498 (1998)
  126. Ivanov G K, Kozhushner M A, Trakhtenberg L I J. Chem. Phys. 113 1992 (2000)
  127. Gommers R, Bergamini S, Renzoni F Phys. Rev. Lett. 95 073003 (2005)
  128. Faucheux L P et al Phys. Rev. Lett. 74 1504 (1995)
  129. Robilliard S, Lucas D, Grynberg G Appl. Phys. A 75 213 (2002)
  130. Rozenbaum V M et al Phys. Rev. E 100 022115 (2019)
  131. Дехтярь М Л, Розенбаум В М, Трахтенберг Л И Теоретическая и экспериментальная химия 55 210 (2019); Dekhtyar M L, Rozenbaum V M, Trakhtenberg L I Theor. Exp. Chem. 55 232 (2019)

© Успехи физических наук, 1918–2021
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение