Heterogeneous and Nonlinear Responses in Nonequilibrium Systems
- 주제(키워드) nonequilibrium thermodynamics , polymer glasses , polymer fibers , nonlinear response , heterogeneous dynamics , anomalous cell migration , active matters , microscale engines , molecular dynamics simulation
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- UCI I804:11029-000000065795
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
자연 상태에 있는 물질들은 외부 환경과 상호작용을 하며 지속적으로 섭동을 받는다. 이러한 섭동에 의해 물질은 평형 상태에서 벗어나 비평형 상태에 놓여있게 되며, 평형 상태에서 크게 벗어난 비평형 상태의 물질은 평형 통계역학으로 설명되지 않는 복잡한 거동을 보인다. 본 학위 논문에서는 비평형 상태의 물질에서 공통적으로 나타나는 비균질성과 비선형성이라는 두가지 특징에 초점을 맞추어 복잡한 비평형 현상을 이해해보고자 하였다. 고분자 섬유는 약물질 전달, 에너지 저장 분야 등 다양한 분야에서 주목받는 물질이다. 하지만, 고분자 섬유는 부피 대비 큰 표면적을 가지고 있어 작은 섭동에도 그 형태가 쉽게 변한다. 본 학위 논문에서는 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 고분자 섬유의 고분자와 다양한 상호작용을 하는 나노 입자를 넣어줌으로써 고분자 섬유 형태의 안정성을 제어할 수 있음을 보였다. 또한 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 유리 상태에 있는 고분자 섬유의 비선형적 기계적 특성에 대해 살펴보았다. 본 학위 논문에서는 고분자 섬유의 비선형적으로 나타나는 기계적인 특성은 고분자의 이동성과 관련이 있다는 결과를 보였다. 세포 이동(cell migration)은 암전이, 발생, 상처 치료 과정과 같은 다양한 생명현상에서 나타나는 중요한 과정이다. 이러한 세포의 이동은 기존의 확산 모델로 설명될 수 없는 특이적인 동역학적 특성을 보인다. 본 학위 논문에서는 세포 집단의 비균질성을 고려함으로써 세포의 비정상적 이동을 설명하는 수학적인 모델을 개발하였고 암세포의 거동을 성공적으로 설명하였다. 액티브 입자(active particle)는 자신이 저장한 에너지나 주변의 에너지를 사용하여 움직이는 물질이다. 최근 한 연구는 박테리아와 같은 액티브 입자가 있는 환경에서 작동하는 마이크로 엔진의 효율이 카르노 효율을 넘는다는 결과를 보고하였다. 본 학위 논문에서는 시뮬레이션 방법을 사용하여 박테리아가 있는 환경에서 작동하는 마이크로 엔진을 모사하였고 그 효율이 카르노 효율을 넘는 결과를 재현하였다. 또한 액티브 입자에 의해 생기는 비평형 효과가 마이크로 엔진의 효율을 향상시킨다는 것을 밝혀냈다.
more초록/요약
The systems in nonequilibrium states can be found ubiquitously in nature, and they exhibit unique behaviors that cannot be described by equilibrium thermodynamics. For example, the systems far from equilibrium can exhibit nonlinear responses beyond the linear response theory. Also, nonequilibrium systems can exhibit heterogeneous responses to the external perturbations. In my PhD course, I study heterogeneous and nonlinear responses in various nonequilibrium systems, i.e., polymer materials, cells, and active matters. I investigate nonequilibrium behaviors by using computer simulation methods. These studies show heterogeneous and nonlinear responses of various nonequilibrium systems. In chapter 2, I study unstable polymer fibers that disrupt spontaneously into polymer globules, and investigate the structural deformation kinetics of polymer fibers. In chapter 3, I study the mechanical properties of polymer fiber glasses. I find the relation between the nonlinear mechanical responses and the heterogeneous dynamics at a molecular level. In chapter 4, I study anomalous migration of A549 cells. I find that both cellular and temporal heterogeneity are key factors to understand the anomalous migration of A549 cells. In chapter 5, I study single colloidal heat engines with active reservoirs. I find that nonequilibrium effects cause the high efficiency of engines beyond the Carnot efficiency.
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