Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання
The symmetry conditions have been derived for the occurrence of the ratchet effect in Brownian photomotors. To this end, spatiotemporal symmetry operations in vector transformations, coordinate and time shifts, and in the overdamped regime were applied to the average photomotor velocity taken as a f...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/586 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Репозитарії
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543928585551872 |
|---|---|
| author | Dekhtyar, M. L. Rozenbaum, V. M. Shkoda, N. G. Ikim, M. I. |
| author_facet | Dekhtyar, M. L. Rozenbaum, V. M. Shkoda, N. G. Ikim, M. I. |
| author_sort | Dekhtyar, M. L. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:01:52Z |
| description | The symmetry conditions have been derived for the occurrence of the ratchet effect in Brownian photomotors. To this end, spatiotemporal symmetry operations in vector transformations, coordinate and time shifts, and in the overdamped regime were applied to the average photomotor velocity taken as a functional of the coordinate- and time-dependent potential energy. As established, individual Brownian particles (molecules) can move directionally only provided a symmetrically distributed charge fluctuates in them and they are placed on the substrates with an antisymmetric charge distribution or, vice versa, they are characterized by antisymmetrically distributed charge fluctuations and are placed on symmetric substrates. The collective directed motion of orientation-averaged particles is possible only in the former case. If a particle charge distribution is described by a time dependence with the universal type of symmetry (i.e., simultaneously symmetric, antisymmetric, and shift-symmetric), an additional symmetry constraint on the ratchet functioning arises: the ratchet effect is ruled out in the overdamped regime but allowed for inertial moving particles if the charge distributions in both the particle and the substrate are neither symmetric nor antisymmetric.The effect of the universal type of symmetry is exemplified by dipole photomotors derived from donor-acceptor conjugated organic molecules. With a specific type of molecular photoexcitation and a specific relationship of the dipole moments in the ground and excited states, the ratchet effect becomes symmetry-forbidden. The forbiddenness can be removed by molecular polarization effects, which in this case become the predominant factor governing the direction of the motion and average velocity of photomotors. The estimated velocities of polarization photomotors are an order of magnitude larger than for known motor proteins and dipole Brownian photomotors. These results can be helpful in the purposeful molecular design of dipole photomotors. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:34:18Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-586 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-17T12:08:17Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5862022-06-29T10:01:52Z Ratchet effect in brownian photomotors: symmetry constraints and going beyond them Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання Dekhtyar, M. L. Rozenbaum, V. M. Shkoda, N. G. Ikim, M. I. molecular devices ratchet effect in Brownian photomotors symmetry constraint donor-acceptor systems polarization effects молекулярні пристрої ретчет-ефект у броунівських фотомоторах обмеження за симетрією донорно-акцепторні системи поляризаційні ефекти The symmetry conditions have been derived for the occurrence of the ratchet effect in Brownian photomotors. To this end, spatiotemporal symmetry operations in vector transformations, coordinate and time shifts, and in the overdamped regime were applied to the average photomotor velocity taken as a functional of the coordinate- and time-dependent potential energy. As established, individual Brownian particles (molecules) can move directionally only provided a symmetrically distributed charge fluctuates in them and they are placed on the substrates with an antisymmetric charge distribution or, vice versa, they are characterized by antisymmetrically distributed charge fluctuations and are placed on symmetric substrates. The collective directed motion of orientation-averaged particles is possible only in the former case. If a particle charge distribution is described by a time dependence with the universal type of symmetry (i.e., simultaneously symmetric, antisymmetric, and shift-symmetric), an additional symmetry constraint on the ratchet functioning arises: the ratchet effect is ruled out in the overdamped regime but allowed for inertial moving particles if the charge distributions in both the particle and the substrate are neither symmetric nor antisymmetric.The effect of the universal type of symmetry is exemplified by dipole photomotors derived from donor-acceptor conjugated organic molecules. With a specific type of molecular photoexcitation and a specific relationship of the dipole moments in the ground and excited states, the ratchet effect becomes symmetry-forbidden. The forbiddenness can be removed by molecular polarization effects, which in this case become the predominant factor governing the direction of the motion and average velocity of photomotors. The estimated velocities of polarization photomotors are an order of magnitude larger than for known motor proteins and dipole Brownian photomotors. These results can be helpful in the purposeful molecular design of dipole photomotors. Виведено симетрійні умови виникнення ретчет-ефекту в броунівських фотомоторах. Із цією метою операції просторово-часової симетрії при векторних перетвореннях, зсувах координат і часу та в режимі надзатухання застосовувалися до середньої швидкості фотомотора, що розглядалася як функціонал потенціальної енергії, залежної від координати й часу. Встановлено, що окремі броунівські частинки (молекули) можуть рухатися спрямовано лише за умови флуктуацій у них симетрично розподіленого заряду і їхнього розміщення на підкладках із антисиметричним розподілом заряду, або, навпаки, вони характеризуються флуктуаціями антисиметрично розподіленого заряду і розміщуються на симетричних підкладках. Колективний спрямований рух усереднених за орієнтаціями частинок можливий лише в першому випадку. Якщо розподіл заряду частинок описується залежністю від часу з універсальним типом симетрії (тобто одночасно симетричною, антисиметричною та зсувно-симетричною), виникає додаткове симетрійне обмеження функціонування ретчета: ретчет-ефект унеможливлюється в режимі надзатухання, але допускається для інерційних рухомих частинок, якщо розподіл заряду як у частинці, так і в підкладці не є ані симетричним, ані антисиметричним.Ефект універсального типу симетрії ілюструється на прикладі дипольних фотомоторів, отриманих із донорно-акцепторних супряжених органічних молекул. При особливому типі молекулярного фотозбудження та особливому співвідношенні дипольних моментів у основному та збудженому станах ретчет-ефект стає забороненим за симетрією. Заборону можна усунути за допомогою ефектів молекулярної поляризації, які в цьому випадку стають переважаючим фактором, що визначає напрямок руху та середню швидкість фотомоторів. Оцінені швидкості поляризаційних фотомоторів на порядок більші, ніж для відомих моторних білків і дипольних броунівських фотомоторів. Ці результати можуть бути корисними у цілеспрямованому молекулярному дизайні дипольних фотомоторів. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2021-06-08 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/586 10.15407/hftp12.02.124 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 12 No. 2 (2021): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 124-134 Химия, физика и технология поверхности; Том 12 № 2 (2021): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 124-134 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 12 № 2 (2021): Хімія, фізика та технологія поверхні; 124-134 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp12.02 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/586/594 Copyright (c) 2021 M. L. Dekhtyar, V. M. Rozenbaum, N. G. Shkoda, M. I. Ikim |
| spellingShingle | молекулярні пристрої ретчет-ефект у броунівських фотомоторах обмеження за симетрією донорно-акцепторні системи поляризаційні ефекти Dekhtyar, M. L. Rozenbaum, V. M. Shkoda, N. G. Ikim, M. I. Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| title | Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| title_alt | Ratchet effect in brownian photomotors: symmetry constraints and going beyond them |
| title_full | Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| title_fullStr | Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| title_full_unstemmed | Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| title_short | Ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| title_sort | ретчет-ефект у броунівських фотомоторах: симетрійні обмеження та їх подолання |
| topic | молекулярні пристрої ретчет-ефект у броунівських фотомоторах обмеження за симетрією донорно-акцепторні системи поляризаційні ефекти |
| topic_facet | molecular devices ratchet effect in Brownian photomotors symmetry constraint donor-acceptor systems polarization effects молекулярні пристрої ретчет-ефект у броунівських фотомоторах обмеження за симетрією донорно-акцепторні системи поляризаційні ефекти |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/586 |
| work_keys_str_mv | AT dekhtyarml ratcheteffectinbrownianphotomotorssymmetryconstraintsandgoingbeyondthem AT rozenbaumvm ratcheteffectinbrownianphotomotorssymmetryconstraintsandgoingbeyondthem AT shkodang ratcheteffectinbrownianphotomotorssymmetryconstraintsandgoingbeyondthem AT ikimmi ratcheteffectinbrownianphotomotorssymmetryconstraintsandgoingbeyondthem AT dekhtyarml retčetefektubrounívsʹkihfotomotorahsimetríjníobmežennâtaíhpodolannâ AT rozenbaumvm retčetefektubrounívsʹkihfotomotorahsimetríjníobmežennâtaíhpodolannâ AT shkodang retčetefektubrounívsʹkihfotomotorahsimetríjníobmežennâtaíhpodolannâ AT ikimmi retčetefektubrounívsʹkihfotomotorahsimetríjníobmežennâtaíhpodolannâ |