Entropic particle transport in periodic channels
布朗运动的动力学具有广泛的应用，从设计的微通道中的传输扩展到其在分子马达和布朗马达中诱导传输的突出作用。在这里，布朗输运的研究在微尺寸，二维周期性通道，表现出周期性变化的截面。此外，颗粒受到沿纵向通道轴线方向作用的外力。对于一个固定的通道几何形状，二维问题的动力学的特征在于由一个单一的无量纲参数，这是成比例的施加的力和颗粒环境的温度的比率。在这种结构中，熵效应可能起主导作用。在某些条件下，二维动力学可以近似为粒子在纵向方向上的有效一维运动。朗之万方程描述这一减少，一维过程是类型的菲克-雅各布斯方程。它包含一个熵势确定的消除通道方向的变化的延伸，和一个修正的扩散常数，引入了一个空间相关的扩散。这个修正项的不同形式以前已经提出过，我们在这里比较了一个特定的模型类别。我们通过分析估计以及与全二维随机动力学数值结果的比较来分析菲克-雅各布斯方程的有效性机制。对于非线性迁移率，我们发现一个温度依赖性，这是相反的，已知的粒子运输周期性电位。讨论了熵效应对非线性迁移率和有效扩散常数的影响。
2008-04-23 cond-mat.stat-mech
Non-monotonous polymer translocation time across corrugated channels: comparison between Fick-Jacobs approximation and numerical simulations
我们研究了聚合物在变截面通道中的易位。使用系统的近似，我们推导出一个简化的模型，减少了问题的聚合物易位通过变截面通道的一个点样粒子的作用下的一个有效的潜力。这样的模型使我们能够确定控制聚合物动力学的相关参数，特别是它们的易位时间。通过比较我们的分析结果与数值模拟，我们表明，在适当的条件下，我们的模型提供了可靠的预测高斯和自避免聚合物的动态，在二维和三维的限制。此外，这两个理论预测，以及布朗动力学的结果，显示了非单调的依赖性的聚合物易位速度作为聚合物的大小的函数，一个功能，可以利用聚合物分离。
2017-07-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hydrodynamically enforced entropic trapping of Brownian particles
我们研究了布朗粒子在无旋度（标量势）和无发散（矢量势）力场作用下通过波纹通道的输运。我们开发了一个广义的Fick-Jacobs方法，导致一个有效的一维描述涉及潜在的平均力。作为一个应用程序，被认为是一个压力驱动的流动和一个相反取向的恒定偏置的相互作用。我们表明，对于某些参数，粒子扩散显着抑制通过流体动力学强制熵粒子捕获的属性。
2012-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Fick-Jacobs description and first passage dynamics for diffusion in a channel under stochastic resetting
本文将Fick-Jacobs理论扩展到随机重置下的通道扩散输运，推导出首通时间、逃逸概率和平均寿命的精确表达式，证明适当重置率可加速输运并使粒子在通道内的平均寿命最小化，且最优重置率随系统参数变化会发生连续和不连续转变。
2022-11-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Entropic rectification and current inversion in a pulsating channel
我们证明了布朗粒子的电流在脉动通道中存在共振行为。通道形状的周期性振荡和沿其轴施加的力之间的相互作用导致粒子电流作为噪声水平的函数增加。一个政权的电流反转也观察到特定值的振荡频率和所施加的力。提出的模型，以获得这些新的行为的电流是基于Fick-Jacobs方程，其中的熵势垒和有效扩散系数依赖于时间。观察到的现象可用于优化微流体装置或生物通道中的传输。
2016-12-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Biased Brownian motion in extreme corrugated tubes
研究了点尺寸颗粒在三维光滑变截面管道中的偏置布朗运动。在我们最近的工作中[Martens等人，PRE 83，051135]我们对管几何形状的几何参数中的稳态概率密度进行了渐进分析。我们证明了首阶项等价于Fick-Jacobs近似。导出了概率密度高阶修正的表达式。使用此展开阶数，我们得到，在扩散主导的制度的平均粒子流等于零阶Fick-Jacobs结果校正的一个因素，包括管的几何形状的λ。特别是，我们证明，这种估计是更准确的极端波纹几何形状相比，常用的方法，使用空间依赖的扩散系数D（x，f）。分析结果证实了与正弦形管的有限元计算。
2011-08-22 cond-mat.stat-mech
How entropy and hydrodynamics cooperate in rectifying particle transport
使用分析Fick-Jacobs近似形式主义和广泛的布朗动力学模拟，我们研究粒子通过二维周期性通道与三角形壁的传输。定向运动是由沿通道轴线作用的恒定偏压和压力驱动流的相互作用引起的。特别是，我们分析了粒子的迁移率和有效扩散系数。熵整流的机制，揭示了一个破碎的空间反射对称性的存在下，流体动力学强制熵捕获的渠道。由于强制和压力驱动流场的组合作用，实现了具有显著降低的扩散率的有效整流。
2013-04-16 cond-mat.stat-mech
Entropic transport of finite size particles
研究了有限半径球形布朗粒子通过变截面窄通道的输运问题。应用所谓的Fick-Jacobs近似，即假设在通道轴的正交方向上的快速平衡，2D问题可以由1D有效动力学来描述，其中瓶颈导致熵障碍。几何约束导致熵障碍，粒子必须克服这些障碍才能在传输方向上前进。的非线性迁移率的运输的分析结果进行了比较与精确的数值模拟结果。非线性迁移率对颗粒尺寸的依赖性表现出惊人的共振状行为作为相对颗粒尺寸的函数;后一个特征呈现可能的新的有效的颗粒分离方案。
2010-06-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Closed formula for the transport of micro-nano-particle across model porous media
在过去的十年中，Fick-Jacobs近似已被用来捕捉跨收缩的运输。在这里，我们回顾推导的菲克-雅各布斯方程，特别强调其线性响应制度。我们表明，对于前后对称通道的非相互作用系统的通量完全捕获其线性响应制度。在这种情况下，我们推导出一个非常简单的公式，它可以捕捉正确的趋势，并可以作为一个简单的工具来设计实验或模拟。最后，我们表明，高阶修正的通量可能会出现非对称通道。
2023-01-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Giant enhancement of hydrodynamically enforced entropic trapping in thin channels
使用我们的广义Fick-Jacobs方法[Martens等人，PRL 110，010601（2013）; Martens等人，EUR. Phys. J. Spec. Topics 222，2453-2463（2013）]和广泛的布朗动力学模拟，我们研究了通过不同高度的三维周期性通道的粒子输运。定向运动是由沿通道轴线作用的恒定偏压和压力驱动流的相互作用引起的。在通道方向上的流动剖面形状与通道高度的巨大变化反映在一个关键的依赖性的平均颗粒速度和有效扩散系数的通道高度。特别是，我们观察到一个巨大的抑制薄通道中的有效扩散率;四个数量级相比，散装值。
2014-09-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dispersion in two-dimensional periodic channels with discontinuous profiles
由于熵捕获的作用，周期性微通道中的布朗示踪粒子的有效扩散系数小于微观扩散系数。在这里，我们研究扩散在二维周期性通道的横截面呈现奇点，如半径的突变或薄壁的存在下，与开口，划定周期性车厢组成的通道。在这样的系统中的色散分析使用Fick-Jacobs'近似。这种近似假设在横向上的平衡比在轴向上快得多，沿着轴向测量色散。如果沟道的特征宽度$a$比沟道的周期$L$小得多，即$\varepsilon = a/L$小，则该假设对于布朗粒子显然有效。对于不连续通道，Fick-Jacobs近似仅在$\varepsilon$中的最低阶有效，并提供了有效扩散率的粗略估计，尽管有时相当准确。在这里，我们提供的有效扩散率在不连续的渠道是渐近精确的下一个领先的顺序在$\varepsilon$的公式。每个不连续性导致有效扩散率的降低。我们表明，我们的理论是一致的有效{ \em捕获率}与每个不连续性，我们的理论提供了明确的和渐近精确的公式。我们的分析预测证实了数值分析。我们的研究结果提供了一个精确的量化的动力学熵障碍与配置文件的奇异性。
2018-07-14 cond-mat.stat-mech
Kinetic Equations for Diffusion in the Presence of Entropic Barriers
利用介观非平衡态热力学理论，导出了势垒存在时体系的一般动力学方程。该结果适用于描述系统的动态熵障碍的影响的演变。我们详细分析了扩散的情况下，在不规则的几何形状的域中的边界的存在下，诱导熵障碍时，接近精确的动力学的描述粗糙。相应的动力学方程，命名为Fick-Jacobs方程，得到，其有效性是通过制定的扩散系数的比例律，这取决于边界的形状推广。我们提出的方法可以是有用的，以分析系统的动力学在纳米级的熵势垒的存在是一个共同的特点。
2001-10-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Entropic active particle transport in pulsating 3D geometries
本研究探讨了空间周期性三维振荡几何形状中活性布朗粒子的输运，建立了广义Fick-Jacobs方法将3D系统简化为有效1D系统，发现几何振荡最佳频率下粒子平均速度和有效扩散系数显著提升，类似随机共振现象，为微纳米流体和生物医学设备的粒子输运控制提供了理论依据。
2025-09-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effective diffusivity of Brownian particles in a two dimensional square lattice of hard disks
我们重新审视经典问题的有效扩散常数的布朗粒子在正方形晶格的反射不可穿透的硬盘。该扩散常数还与相同几何形状的非导电和无限导电圆盘的有效导电性有关。我们展示了如何最近推导出的周期性晶格的格林函数可以利用磁盘的体积分数$φ$来推导一系列的扩展的扩散常数。其次，我们提出了一个变种的Fick-Jacobs近似研究大体积分数的限制。这种组合的分析结果示出描述的行为的扩散常数的所有体积分数。
2021-11-08 cond-mat.stat-mech
Transport coefficients for a confined Brownian ratchet operating between two heat reservoirs
讨论了抛物势模型下布朗粒子在具有软壁的周期性非对称通道中的二维扩散。在通道中，粒子在横向和纵向上经历不同的噪声强度或温度。该模型的灵感来自著名的费曼的棘轮和棘爪。利用Fick-Jacobs近似的思想，我们导出了粒子的平均速度、有效扩散系数和势单胞中的定态几率密度。对于较小的沟道宽度，推导出的结果是准确的。然而，我们检查精确的数值计算，他们定性地描述观察到的棘轮效应的任意宽度的通道。
2016-07-28 cond-mat.stat-mech
Effective one-dimensional description of confined diffusion biased by a transverse gravitational force
研究了无相互作用的点状粒子在二维变截面通道中的扩散问题。颗粒在横向上受到恒定力的偏压。我们应用我们的递归映射程序，这使我们能够推导出一个有效的一维（1D）演化方程，管理通道中的粒子的1D密度。在稳定流的极限下，我们得到了一个扩展的Fick-Jacobs方程，由有效扩散系数D（x）校正，取决于纵坐标x。我们的结果是D（x）的一个近似公式，其中也包括横向力的影响。我们的计算在线性锥中的定态扩散上得到了验证，这是精确可解的。
2011-05-10 cond-mat.stat-mech
Transport with hard-core interaction in a chain of asymmetric cavities
在本文中，我们研究了非对称腔链内的粒子扩散。我们考虑的是通过硬核势相互作用并受外力驱动的粒子。我们表明，在电流的差异时，力施加到左边和右边强烈依赖于腔内的浓度。我们发现，当浓度足够高时，硬核相互作用消失，腔的非对称效应反转。我们还引入了一个新的方程，修改的菲克-雅各布斯方程，描述这个系统的分析。最后，我们用数值模拟来验证分析结果，发现理论和模拟之间有很好的一致性。
2015-07-07 cond-mat.stat-mech
Kinetic theory of diffusion in a channel of varying cross section
本文从二维 Enskog-Boltzmann-Lorentz 方程出发，通过横向积分和修正 Chapman-Enskog 展开，推导出变截面通道中的一维输运方程，并给出含密度剖面斜率修正的有效扩散系数。
2024-07-05 cond-mat.stat-mech
Field-driven tracer diffusion through curved bottlenecks: Fine structure of first passage events
本研究通过标度论证与数值模拟，探究场驱动示踪粒子在含周期性漏斗形瓶颈的波纹通道中的扩散，揭示了Fick-Jacobs方法未关注的首次穿越事件的边界集中等新特征。
2020-06-12 cond-mat.stat-mech
Transport and fluctuation-dissipation relations in asymptotic and pre-asymptotic diffusion across channels with variable section
本文研究了布朗粒子在空间周期变化通道中的渐近和准渐近扩散性质。的有效扩散系数$D_{\mathrm{eff}}$的数值确定的渐近行为的均方根位移在不同的几何形状，甚至考虑的情况下，急剧变化的通道边界。此外，我们比较了数值结果的预测，从文献中提出的各种修正，众所周知的菲克-雅各布斯近似。建立了一维有效纵向扩散方程，得到了有效扩散系数的近似表达式。这样的结果超出了摄动方法，它是在良好的协议与数值模拟获得的实际值。我们还讨论了观察到的交叉时间，其值，在存在强空间变化的通道截面的前渐近扩散，可以是非常大的。此外，我们如何证明爱因斯坦的平均漂移之间的关系引起的一个小的外场和未扰动系统的均方位移是有效的渐近和前渐近制度。
2014-12-10 cond-mat.stat-mech
Diffusion of finite-size particles in channels with random walls
化学品或示踪剂分子通过含有不规则形状通道的复杂系统的扩散在许多应用中是重要的。大多数基于著名的菲克-雅各布斯方程的理论研究都集中在无限小粒子和反射边界的理想情况下。在这项研究中，我们使用数值模拟来考虑有限尺寸的颗粒通过不对称的二维通道的运输。此外，我们检查瞬态结合的分子的通道壁，通过施加粘性边界条件。考虑到在水凝胶中扩散病原体的应用，我们考虑了在独立通道中扩散的粒子的集合，其特征在于共同的结构参数。我们将我们的长时间有效扩散系数的结果与Dagdug和Pineda [J. Chem. Phys.，2012，137，024107]。
2013-12-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Transport properties of Brownian particles confined to a narrow channel by a periodic potential
研究了均匀外力作用下二维势场中布朗粒子的输运问题。电势在一个方向上是周期性的，并将粒子限制在另一个方向上具有变化横截面的狭窄通道中。我们应用标准的长波渐近分析在窄的维度，并表明，领先的顺序项是等价的，以前从直接扩展的Fick-Jacobs近似。我们还表明，约束势对布朗粒子的输运有类似的影响，由固体通道引起的。最后，我们比较了解析结果与布朗动力学模拟的情况下，一个正弦变化的抛物势的横截面的宽度。我们得到了很好的协议的边缘概率分布，平均速度的布朗粒子和渐近色散系数，在很宽的范围内的Peclet数。
2009-05-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Non-monotonous translocation time of polymers across pores
针对波纹通道中聚合物扩散系数随聚合度非单调变化的问题，提出基于Fick-Jacobs方法的有效自由能模型，经数值验证吻合良好，推导得扩散系数极小值对应链长的标度关系，可用于无外场流的聚合物尺寸分离多孔吸附器设计。
2023-08-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Confined diffusion in a random Lorentz gas environment
本文研究了有偏布朗粒子在充满冻结障碍物的二维受限几何中的扩散行为。这些粒子的传输特性的障碍物密度$η$和缩放参数$f$，这是所做的工作的比例，以可用的热能的各种值进行了研究。我们表明，当热涨落超过外力时，小$f$区域，当系统在临界障碍物密度$η_c \approx 1.2$下运动时，颗粒被捕获在给定的环境中。然而，随着$f$的增加，我们观察到颗粒捕获发生在$η_c$之前。特别是，我们发现$η$和$f$之间的关系，它提供了一个估计的最小$η$到一个关键的缩放参数$f_c$，超过该菲克-雅各布斯描述是无效的。突出的运输功能，如非单调行为的非线性流动性，异常扩散，大大增强了有效扩散系数的解释为各种强度的$f$和$η$。此外，有趣的是观察到颗粒表现出不同种类的扩散行为，即，次扩散、正常扩散和超扩散。这些发现，这是真正的有限的和随机的洛伦兹气体环境，可以是有用的，以了解系统中的小颗粒或分子的传输，如分子筛和多孔介质，具有复杂的异质环境的冻结障碍。
2020-07-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CG
