Nonlinear PDEs for Soft Matter Systems

软物质系统的非线性偏微分方程

基本信息

  • 批准号:
    0604839
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2006
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2006-08-01 至 2010-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PhillipsDMS-0604839 The investigator and his colleague analyze mathematicalmodels, described by nonlinear partial differential equations, ofsoft matter systems, namely liquid crystalline andsuperconducting materials. They focus on electro-magnetic,optical, and mechanical interactions as well as thermo-mechanicalexchanges within them. They seek to identify qualitativefeatures in the solutions for these models including phasetransitions, the nature of defects, and their development. Techniques from mathematical modeling, partial differentialequations, the calculus of variations, and finite elasticity areemployed. The models are highly nonlinear and expressed in termsof nonconvex, second order energies. Developing analysis and pdemethods to address these features is part of the project. Forliquid crystals a major goal is to carry out a mathematicalanalysis for the event of electrically driven optical switchingbetween bistable ferroelectric states in a smectic C* material. A second goal is to carry out an analytic study of the defectstructure that appears in liquid crystals brought on by appliedstresses and phase transitions. In elastomers the investigatorsstudy electrically and thermally driven mechanical deformationsin dry and swollen elastomers. In superconductivity they examinecurrent patterns characterized by the formation and evolution ofvortex filaments within them. For low temperature materials theyinvestigate both stationary and dynamic features of vortexfilaments in three dimensional bodies, using the time-dependentGinzburg-Landau equations. For high temperaturesuperconductivity they study the vortex structure in stationarysolutions to a d-wave model as well as current patterns insolutions for the layered Lawrence-Doniach model. Understanding physical interactions in soft matter systemsis central to the design process where one strives to makesmaller, faster, and more accurate devices. Liquid crystals areused to make optical switches, nano devices, and displays. Liquid crystal elastomers have been proposed by physicists tomodel artificial muscles and other biological applications. Superconductors are used for small scale sensors such as squids(superconducting quantum interference detectors) and to makepowerful magnets. The approach the investigators undertake is toanalyze mathematical models that describe soft matter systems interms of nonlinear partial differential equations. The workleads to predictions of qualitative features that the actualmaterials should possess and insights that should be useful forthe design process as well as for the implementation of numericalsimulations.
研究者和他的同事分析了软物质系统(即液晶和超导材料)的非线性偏微分方程所描述的数学模型。他们专注于电磁、光学和机械的相互作用以及它们之间的热机械交换。他们试图识别这些模型的解决方案中的定性特征,包括相变、缺陷的本质,以及它们的发展。运用了数学建模、偏微分方程、变分法和有限弹性等技术。模型是高度非线性的,用非凸二阶能量表示。开发分析和开发方法来处理这些特性是该项目的一部分。对于液晶,一个主要的目标是对近晶C*材料中双稳态铁电态之间的电驱动光开关事件进行数学分析。第二个目标是对液晶中由外加应力和相变引起的缺陷结构进行分析研究。在弹性体中,研究人员研究了干弹性体和膨胀弹性体的电和热驱动的机械变形。在超导中,他们研究以涡流细丝的形成和演化为特征的电流模式。对于低温材料,他们使用随时间变化的金兹堡-朗道方程研究了三维体中涡丝的静态和动态特征。对于高温超导,他们研究了d波模型稳态解中的涡旋结构,以及分层劳伦斯-多尼亚奇模型解中的电流模式。理解软物质系统中的物理相互作用是设计过程的核心,在设计过程中,人们努力制造更小、更快、更精确的设备。液晶被用于制造光学开关、纳米器件和显示器。物理学家提出用液晶弹性体来模拟人造肌肉和其他生物应用。超导体被用于小型传感器,如鱿鱼(超导量子干涉探测器)和制造强力磁铁。研究人员采用的方法是分析用非线性偏微分方程描述软物质系统的数学模型。这项工作导致了对实际材料应该具有的定性特征的预测,以及对设计过程和数值模拟实施有用的见解。

项目成果

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