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Poornachandra Sekhar Burada

• With this work we study biased, diffusive transport of Brownian particles through narrow, spatially periodic structures in which the motion is constrained in lateral directions. In such structures entropic effects may play a dominant role. Under certain conditions the higher dimensional (2D or 3D) dynamics can be approximated by an effective one-dimensional motion of the particle in the longitudinal direction. This reduced one-dimensional kinetic equation contains an entropic potential determined by the varying extension of the eliminated channel direction, and a correction to the diffusion constant that introduces a position dependent diffusion. The constrained dynamics yields a scaling regime for the particle current and the effective diffusion coefficient in terms of the ratio between the work done to the particles and available thermal energy. We show that transport in the presence of entropic barriers exhibits peculiar characteristics which makes it distinctly different from thatWith this work we study biased, diffusive transport of Brownian particles through narrow, spatially periodic structures in which the motion is constrained in lateral directions. In such structures entropic effects may play a dominant role. Under certain conditions the higher dimensional (2D or 3D) dynamics can be approximated by an effective one-dimensional motion of the particle in the longitudinal direction. This reduced one-dimensional kinetic equation contains an entropic potential determined by the varying extension of the eliminated channel direction, and a correction to the diffusion constant that introduces a position dependent diffusion. The constrained dynamics yields a scaling regime for the particle current and the effective diffusion coefficient in terms of the ratio between the work done to the particles and available thermal energy. We show that transport in the presence of entropic barriers exhibits peculiar characteristics which makes it distinctly different from that occurring through energy barriers. The average particle current decreases upon increasing the strength of thermal noise, contrary to the behavior usually found in purely energetic systems. We observed an enhancement in the effective diffusion coefficient whose maximum always exceeds the bulk diffusion constant. The one-dimensional kinetic description has been applied to geometries with different degrees of confinement. The diffusion process is evaluated and the optimal regions for the transport in these confined systems are identified. Since the applicability of the one-dimensional kinetic description varies upon the confinement of the geometry, we analyze the regime of validity both by means of analytical estimates and the comparisons with numerical results for the full two dimensional stochastic dynamics.…
• In der Arbeit wird gerichteter Transport von Brownschen Teilchen durch periodische Kanalstrukturen untersucht. Engstellen in den Poren verursachen sogenannte entropische Barrieren, die Teilchen überwinden müssen, um durch die Pore hindurch transportiert werden zu können. Unter bestimmten Bedingungen kann das zwei- bzw. dreidimensionale Problem auf eine eindimensionale Bewegung in einem effektiven Potential zurückgeführt werden. Die eindimensionale Bewegungsgleichung für die Dynamik in longitudinaler Kanalrichtung erhält man formal über eine Gleichgewichtsannahme und Integration über die verbleibenden transversalen Raumrichtungen. Die geometrischen Einschränkungen gehen in die Fokker-Planck-artigen Bewegungsgleichungen nicht nur mit einem effektiven entropischen Potential, sondern auch mit einer ortsabhängigen Diffusionskonstante ein. Nach der Dimensionsreduktion können nun analytische Ausdrücke für die Teilchenstromdichte und den effektiven Diffusionskoeffizienten für die Bewegung inIn der Arbeit wird gerichteter Transport von Brownschen Teilchen durch periodische Kanalstrukturen untersucht. Engstellen in den Poren verursachen sogenannte entropische Barrieren, die Teilchen überwinden müssen, um durch die Pore hindurch transportiert werden zu können. Unter bestimmten Bedingungen kann das zwei- bzw. dreidimensionale Problem auf eine eindimensionale Bewegung in einem effektiven Potential zurückgeführt werden. Die eindimensionale Bewegungsgleichung für die Dynamik in longitudinaler Kanalrichtung erhält man formal über eine Gleichgewichtsannahme und Integration über die verbleibenden transversalen Raumrichtungen. Die geometrischen Einschränkungen gehen in die Fokker-Planck-artigen Bewegungsgleichungen nicht nur mit einem effektiven entropischen Potential, sondern auch mit einer ortsabhängigen Diffusionskonstante ein. Nach der Dimensionsreduktion können nun analytische Ausdrücke für die Teilchenstromdichte und den effektiven Diffusionskoeffizienten für die Bewegung in longitudinaler Richtung abgeleitet werden. Ein Vergleich der analytisch erzielten Resultate mit der numerischen Lösung des zweidimensionalen Problems demonstriert die Gültigkeit der Gleichgewichtsannahme. Quantitativ konnten wir den Gültigkeitsbereich durch Angabe eines konkreten Kriteriums beschreiben. Diffusiver, entropischer Transport in longitudinaler Kanalrichtung zeigt charakteristische Eigenschaften: (i) Im Gegensatz zum Transport in rein energetischen Potentialen, beobachtet man, dass der Transport in Kanalstrukturen nur von einem Parameter abhängt, nämlich der generalisierten Kraft, dem Verhältnis von an dem Teilchen in einer Periode verrichteten Arbeit und der thermischen Energie. (ii) Während eine höhere Temperatur für rein energetische Potentiale zu einer größeren Mobilität der Brownschen Teilchen führen kann, nimmt die Mobilität im Fall von entropischen Barrieren mit steigender Temperatur stets ab. (iii) Darüberhinaus findet man für einen bestimmten Wertebereich der generalisierten Kraft einen erhöhten Diffusionskoeffizienten.…