MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798291558218
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32042379
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a541
■1001  ▼aSlowey,  Chase  N.
■24510▼aTopological  and  Cycle  Flux  Analysis  of  Non-Equilibrium  Particle  Transportation
■260    ▼a[Sl]▼bThe  University  of  North  Carolina  at  Chapel  Hill▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a113  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-02,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Lu,  Zhiyue.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  University  of  North  Carolina  at  Chapel  Hill,  2025.
■520    ▼aPassive  transport  through  narrow  channels  often  defies  equilibrium-based  intuition:  how  can  a  simple,  energetically  flat  "tube"  spontaneously  push  one  species  against  its  concentration  gradient,  or  entirely  exclude  one  species  while  allowing  another-without  any  active  gating  or  ATP?  In  this  dissertation,  we  address  that  question  by  combining  nonequilibrium  stochastic-thermodynamic  methods,  graph-theoretic  cycle-flux  analysis,  and  eigenvalue-braid  topology  to  reveal  a  purely  entropic  mechanism  for  ratchet-like  and  infinitely  selective  transportation.We  begin  by  formulating  a  minimal  two-species  exclusion-process  model  on  a  one-dimensional  lattice  ("particle  tube"),  in  which  each  site  may  be  occupied  by  at  most  one  'A'  or  'B'  type  particle.  Without  any  binding  energies  or  energetic  biases,  this  "inert"  tube  nevertheless  exhibits  distinct  transport  regimes-"dud"  modes  (both  species  flow  down  their  concentration  gradients),  "ratchet"  mode  (A  flows  down  its  concentration  gradient  while  B  flows  up  or  vice  versa),  and  lines  of  infinite  selectivity  (A  flows  through  the  tube,  while  B's  net  current  vanishes).  By  mapping  the  ([A]L,  [B]L,  [A]R,  &  [B]R)  parameter  space  for  various  tube  lengths,  we  show  that  ratchet  regions  grow  and  "sloppy-gear"  efficiency  increases  with  tube  length,  confirming  that  stochastic  interlocking  of  many  particles  can  force  one  particle  type  up  its  concentration  gradient  by  having  the  other  particle  type  flow  down  its  concentration  gradient.To  test  whether  these  phenomena  correspond  to  a  true  dynamical  phase  transition,  we  apply  the  large-deviation  principle.  We  construct  tilted  probability  transition  rate  matrices  for  'A'  and  'B'  type  particle  currents  (individually  and  jointly)  and  compute  their  scaled  cumulant  generating  functions  and  rate  functions.  In  all  regimes:  dud,  ratchet,  transition  boundaries,  and  infinite-selectivity  lines-both  the  scaled  cumulant  generating  functions  and  rate  functions  remain  analytic  and  unimodal,  precluding  a  first-order  dynamical  phase  transition.We  then  employ  eigenvalue-braid  analysis  on  similarly  tilted  probability  transition  rate  matrices  to  detect  subtle  eigenspectrum  rearrangements.  Several  braid  crossings  appear;  some  coincide  with  ratchet  mode  or  infinite-selectivity  boundaries-indicating  that  spectral  topology  does  drive  macroscopic  mode  changes-while  others  do  not  correspond  directly  to  any  observed  transport  regime.Finally,  we  use  the  generalized  matrix-tree  theorem  to  decompose  steady-state  fluxes  into  one-way  cycle  currents.  Enumerating  all  fundamental  cycles  and  assigning  each  a  'topological  tuple'  (A,B),  we  identify  which  cycles  dominate  in  each  regime.  At  the  ratchet  boundary,  joint  (1,1)  cycles  overtake  pure  (1,0)  and  (0,-1)  cycles,  generating  a  net  counter-gradient  'B'  type  particle  flow.  Similarly,  infinite  selectivity  occurs  when  all  'B'-carrying  cycles  cancel  while  'A'-only  cycles  remain  positive.  This  cycle  analysis  also  explains  the  'mystery'  braids  observed  in  the  topological  analysis.  A  one-site  toy  model  further  confirms  that  these  ratchet  and  infinite-selectivity  mechanisms  require  multiple  sites  and  cycles.Together,  these  results  demonstrate  that  passive  channels  can  achieve  Maxwell-Demon-like  ratchet  and  infinitely  selective  transport  solely  through  entropic  cycle-flux  coupling.  This  unified  framework-combining  large  deviation  principle  to  rule  out  phase  transitions,  eigenvalue  braiding  to  probe  spectral  features,  and  cycle-flux  decomposition  to  pinpoint  the  underlying  graph-theoretic  origin-provides  new  understanding  in  the  transportation  of  particles  through  narrow  media.
■590    ▼aSchool  code:  0153.
■650  4▼aPhysical  chemistry
■650  4▼aChemistry
■650  4▼aStatistical  physics
■650  4▼aTheoretical  physics
■653    ▼aParticle  transportation
■653    ▼aNon-equilibrium
■653    ▼aCycle  flux
■653    ▼aInfinite  selectivity
■653    ▼aStochastic-thermodynamic  methods
■690    ▼a0494
■690    ▼a0753
■690    ▼a0217
■690    ▼a0485
■71020▼aThe  University  of  North  Carolina  at  Chapel  Hill▼bChemistry.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-02B.
■790    ▼a0153
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358265▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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