Projekta vadītājs Prof. A.Cēbers

1. Funkcionāli magnētiski filamenti.

Viena no pieejām dažādu bio- un nanotehnoloģiju problēmu risināšanā balstās uz dažādu mikromanipulācijas paņēmienu izveidošanu ar magnētiskā lauka palīdzību. Kā uzskatāma dota paņēmiena ilustrācija var kalpot DNS molekulu mikromehānisko īpašību noteikšana, izmantojot magnētiskas mikrodaļiņas [1]. Pēdējā laikā izveidotas mikromehāniskas magnētiskas struktūras, kurās kā magnētisko daļiņu saistvielas izmantoti polimēri, kā arī dažas bioloģiski aktīvu vielu molekulas [2]. Projekta ietvaros tika realizēti šādu lokanu magnētisku filamentu teorētiski pētījumi. To ietvaros tika teorētiski atrasta jauna tipa liekšanās nestabilitāte [3] (skat. animāciju). Izpētīta šādu lokanu mikrofilamentu uzvedība statiskos [4] un rotējošos magnētiskos laukos [5]. Mikrofilamenta dinamiku virskritisku rotējošā magnētiskā lauka frekvenču diapazonā (skat. animāciju). Balstoties uz šiem rezultātiem 2004. gada tika izveidots pašdzenoša lokana magnētiska filamenta modelis [6], kurš ilustrē daudzas dažādu mikroorganismu kustības likumsakarības pie maziem Reinoldsa skaitļiem (skat. animāciju). Tas parāda principiālu iespēju radīt no attāluma vadāmu mikro objektu kustību, tajā skaitā dzīvos organismos. Šādu objektu kustības likumsakarību izpēte būs viens no mūsu pētījumu objektiem tuvākajos gados.

[1]. T.R.Strick et al. Stretching of macromolecules and proteins. Rep.Prog.Phys. 66,1-45 (2003).
[2]. C.Goubault et al. Flexible magnetic filaments as micromechanical sensors. Phys.Rev.Lett., 91, 260802 (2003).
[3]. A.Cebers. Dynamics of a chain of magnetic particles connected with elastic linkers. J.Phys.:Condens.Matter, 15, S1335-S1344 (2003).
[4]. A.Cebers, and I.Javaitis. Dynamics of a flexible magnetic chain in a rotating magnetic field. Phys.Rev., 69,021404 (2004)
[5]. A.Cebers, and I.Javaitis. Bending of flexible magnetic rods. Phys.Rev., 70,021404 (2004).
[6]. A.Cebers. Flexible magnetic swimmer. Phys.Rev.Lett. (submitted).

2. Dielektrisku nanodaļiņu suspensijas kā aktīvas sistēmas.

Viens no visaktīvākajiem bioloģiskās fizikas un nanotehnoloģiju virzieniem dotajā momentā ir saistīts ar tā saucamo molekulāro motoru – specifisku molekulu, kuri dzīvos organismos nodrošina ķīmiskās enerģijas transformāciju mehāniskā darbā īpašību noskaidrošanu [1]. Sistēmas, kurās darbojas iekšējie enerģijas avoti, var uzlūkot kā aktīvas. Tām pieder gan dažādas mehanoķīmiskas sistēmas bioloģiskās šūnās, gan organismu populācijas utt. Balstoties uz vairāk nekā 25 gadus atpakaļ izveidoto dielektrisku daļiņu koloīda modeli [2] dotā projekta realizācijas ietvaros tika parādīta principiāla iespēja izveidot uz to bāzes aktīvas sistēmas, kuras iespējams izmantot dažādās mikroierīcēs. Tā darbā [3] parādīta principiāla iespēja izveidot paņēmienus šķidrumu transportēšanai mikrokapilāros, izmantojot tā saucamo iekšējo rotāciju efektu ārējā elektriskā laukā. Kā enerģijas avots dotajā gadījumā kalpo strāvas avoti. Darbā [4] demonstrēts, kā nelielu šādu ansambļu gadījumā iespējams noteiktā parametru diapazonā izveidot aktīvu sistēmu, kura veic divvirzienu haotiskas svārstības (skat. animāciju). Analoģiska uzvedība novērojama arī ģenētiski modificētiem molekulāriem motoriem [5]. Virkne rezultātu aktīvu sistēmu fizikā – kā mehānisku autosvārstību ģenerators, negatīvs berzes koeficients Brauna daļiņas kustībai sazarotās struktūras, haotiskas svārstības mainīgā elektriskā laukā ir iegūti kopā ar studentu M.Ozolu un tiks publicēti tuvākajā nākotnē [6].

[1]. F.Julicher,A.Ajdari, and J.Prost. Modeling molecular motors. Rev.Mod.Phys., 69,1269-1281 (1997).
[2]. A.Cebers. Electrohydrodynamic instabilities in weakly conducting suspension of ellipsoidal particles. Magnetohydrodynamics, v.16, 175-180 (1980).
[3]. A.Cebers. Bistability and “negative” viscosity for a suspension of insulating particles in an electric field. Phys. Rev. Lett. , v.92,  034501 (2004).
[4]. A.Cēbers. Bidirectional random motion driven by globally coupled noisy active elements in an electric field. Phys. Rev. E , v. 70 ,P.011402 (2004).
[5]. M.Badoual,F.Julicher, and J.Prost. Bidirectional cooperative motion of molecular motors. PNAS, 99,6696-6701.
[6]. M.Ozols, A.Cebers. Mechanical autooscillations in electrically active system (to be published).

3. Magnētisku nanosistēmu pašorganizācijas parādības.

Vairāk nekā 20 gadus atpakaļ tika izveidots magnētisko tāldarbības spēku izsaukto pašorganizācijas parādību matemātiskais modelis [1, 2]. Šajā laika periodā tika radīti efektīvi skaitliski algoritmi šādu pašorganizācijas parādību pētīšanai. Pašorganizācijas parādības un to likumsakarības ir viens no būtiskiem nanotehnologiju elementiem, ar kuru palīdzību var izveidot sakārtotas nanoobjektu struktūras. Projekta ietvaros tika skaitliski modelētas ar magnētisko lauku inducēto fāzu pāreju rezultātā veidojošas magnētisku koloīdu struktūras [3]. (skat. animāciju). Atkarībā no fizikālo parametru vērtībām ir izpētītas šo struktūru veidošanās likumsakarības, kā arī pārejas starp dažādiem iespējamo morfoloģiju tipiem – heksagonālas, labirinttipa, joslu tipa, nesakārtotu atsevišķu konglomerātu tipa u.c.. Doto parādību izprašanā būtisku lomu spēlē magnētisko mijiedarbību rezultātā renormalizētais virsmas spraigums.

[1]. A.Cebers, and M.M.Mayorov. Magnetostatic instabilities in plane layers of magnetizable fluids. Magnetohydrodynamics , v.16,  21-27 (1980).
[2].  A.Cebers. Dynamics of magnetostatic instabilities, Magnetohydrodynamics, v.17, 113-121 (1981).
[3].  I.Drikis, and A.Cebers. Pattern formation at magnetic field induced phase transformations. (to be published).