ナノマシン動作における揺らぎの役割と熱力学的理解

• 研究課題/領域番号: 23540435
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 数理物理・物性基礎
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 中川 尚子 茨城大学, 理学部, 准教授 (60311586)
• 研究期間 (年度): 2011-04-28 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2014年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2013年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2012年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2011年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 非平衡定常系 / 揺らぎ / ポンピング / 熱力学第二法則 / メゾスコピック / 情報量 / 力学的仕事 / 非平衡 / タンパク質 / 遅い揺らぎ / 熱力学的操作 / 拡張クラウジウス等式 / Jarzynski等式 / 隠れた自由度 / メソスコピック

研究成果の概要

タンパク質は化学反応のエネルギーを利用するナノマシンであり、動作原理は非平衡系の熱力学に沿って理解すべきである。本研究では動作原理理解の第一歩として、非平衡定常系の熱力学第二法則に相当する不等式を導出した。非平衡系の第二法則は、平衡熱力学と非平衡輸送の金字塔である最小仕事の原理と (線形)応答関係式を内包するという示唆に富む結果を得た。次にこの結果を応用し、ナノマシンを操作して誘起される輸送量（ポンピング）と非平衡仕事を結ぶ新しい関係式を発見した。観測可能量だけで構成され、ポンピングの実験研究に利用可能である。また、非定常系にも定常系と同様の熱力学構造の存在を予見させる関係式の導出も行った。

研究成果

• [雑誌論文] Exact Equalities and Thermodynamic Relations for Nonequilibrium Steady States (2015)
  • 著者名/発表者名: Teruhisa S. Komatsu, Naoko Nakagawa, Shin-ichi Sasa, Hal Tasaki
  • 雑誌名: Journal of Statistical Physics 巻: 158 号: 6 ページ: 1195-1414
  • DOI: 10.1007/s10955-015-1221-1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Universal expression for adiabatic pumping in terms of nonequilibrium steady states (2014)
  • 著者名/発表者名: Naoko Nakagawa
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 90 号: 2
  • DOI: 10.1103/physreve.90.022108
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characterization of the low-temperature properties of a simplified protein model (2014)
  • 著者名/発表者名: Johannes-Geert Hagmann, Naoko Nakagawa, Michel Peyrard
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 89 号: 1
  • DOI: 10.1103/physreve.89.012705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Work relations for time-dependent states (2013)
  • 著者名/発表者名: Naoko Nakagawa and Shin-ichi Sasa
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 87 号: 2
  • DOI: 10.1103/physreve.87.022109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Work relation and the second law of thermodynamics in nonequilibrium steady states (2012)
  • 著者名/発表者名: Naoko Nakagawa
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 85 号: 5
  • DOI: 10.1103/physreve.85.051115
  • 査読あり
• [学会発表] 温度差で駆動される壁の速度ゆらぎ (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会第７０回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-22 – 2015-03-25
• [学会発表] 一次元熱伝導系における過剰熱の示量性と相加性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 千葉義之、中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会第７０回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-22 – 2015-03-25
• [学会発表] 外場駆動される粒子の非線形ランジュバン方程式の数値的決定と有効温度の検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 青柳達也、中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会第７０回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-22 – 2015-03-25
• [学会発表] 温度勾配をかけた１次元格子系における非平衡エントロピーの計測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 千葉義之、中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 環境と相互作用しながら外場で駆動される粒子の揺動散逸関係 (2014)
  • 著者名/発表者名: 青柳達也、中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 非平衡定常系への操作的仕事と線形応答関係の破れ (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 第８回Mini-Symposium on Liquids
  • 発表場所: 岡山大学
  • 年月日: 2014-07-05
  • 招待講演
• [学会発表] 非平衡系の定常分布によるポンピングの定式化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス
• [学会発表] A Work Relation for NESS that involves the Violation of Linear Response Relation (2013)
  • 著者名/発表者名: Naoko Nakagawa
  • 学会等名: Frontier of Statistical Physics and Information Processing
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所
• [学会発表] 時間依存ハミルトニアンがもたらす非定常分布と熱力学的仕事 (2012)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学
• [学会発表] 有限時間操作で生じる非定常分布と熱力学的仕事 (2012)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 非平衡系の物理 －その普遍的理解を目指して
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所
• [学会発表] 非平衡定常系における熱力学第2法則と線形応答関係式 (2011)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学
• [学会発表] 線形応答関係式と非平衡定常系に拡張された熱力学第2法則の不可分な関係 (2011)
  • 著者名/発表者名: 中川尚子
  • 学会等名: 基礎物理学研究所研究会2011i非平衡系の物理-ミクロとマクロの架け橋-
  • 発表場所: 京都大学