WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

МЫСЛИЦКАЯ НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА ДИНАМИКА ТРИПЛЕТНО ВОЗБУЖДЕННЫХ МОЛЕКУЛ ОРГАНОЛЮМИНОФОРОВ И НАНОЧАСТИЦ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И В СВОБОДНОМ ОБЪЕМЕ ВОДНЫХ И ВОДНО-ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ 01.04.05 – «Оптика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена на кафедре физики при ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор В.В. Брюханов Калининградский государственный технический университет

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Салецкий А.М., Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова доктор химических наук, профессор Мельников Г.В., Саратовский государственный технический университет

Ведущая организация:

Оренбургский государственный университет

Защита диссертации состоится 16 декабря 2009 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 5 (19-й корпус НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына), ауд.

2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики имени Д.В.

Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « 13 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 кандидат физико-математических наук Вохник О.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В эпоху бурного развития нанотехнологий, направленного на создание приборов полупроводниковой твердотельной и молекулярной наноэлектроники и нанофотоники, которые получили широкое распространение как в исследовательских лабораториях, так и в промышленности, возникает все больше фундаментальных проблем, связанных с влиянием среды с нанометрическим масштабом на скорость обмена оптической информацией. Другим важнейшим направлением использования достижений нанотехнологии материалов является создание оптических химических и биомедицинских сенсоров – распознающих элементов устройств, избирательно реагирующих на химические соединения.

Здесь конструкторы молекулярных чипов сталкиваются с проблемами, во-первых, равномерного молекулярного наслоения (литографии) на наношероховатой поверхности подложки молекулярных первичных оптических преобразователей и, во-вторых, с проблемами градуировки сенсоров в реальных условиях измерения при наличии жидкости на поверхности. Вместе с тем известно, что многие проблемные вопросы обмена квантовой оптической информацией в молекулярных системах, находящихся в различных средах, давно и успешно решает молекулярная спектроскопия.

В малых пространственных областях, сравнимых с размерами молекул, кинетика транспорта электронной энергии и массоперенос будут отличаться от кинетики и массопереноса в однородных средах, в особенности на границе раздела фаз. В этом случае значительный научный и практический интерес представляют, с одной стороны, исследования указанных проблем в каждом отдельном случае, а с другой стороны, выявление общих физических причин различия динамики возбуждений макромолекул и динамики наночастиц в объеме жидкости и в тонких слоях на границе твердое тело – жидкость.

Методы и инструментарий молекулярной спектроскопии на сегодняшний день позволяют исследовать динамику возбуждений и диффузионную молекулярную динамику в средах с различной топологией. Использование оптических методов молекулярной спектроскопии – спектрально-кинетические импульсного фотолиза – и метода упругого молекулярного рассеяния света позволило исследовать динамику процессов дезактивации триплетных состояний молекул органолюминофоров и диффузионную динамику броуновского движения наночастиц в жидкости на границе с твердым телом и в объеме водных и водноорганических растворов.

Цель работы – установление механизмов нелинейной динамики триплетно возбужденных молекул органолюминофоров и наночастиц вблизи поверхности твердого тела и в свободном объеме водных и водно-органических растворов в широком интервале температур, а также выявление особенностей диффузии наночастиц в ламинарных пограничных потоках вязкой жидкости.

Задачи исследования:

- экспериментально исследовать методом фотонной корреляционной спектроскопии влияние температуры и пористой поверхности твердого тела на диффузионную динамику наночастиц различной химической природы и размера в свободном объеме воды и вблизи фрактальной поверхности твердого тела;

- смоделировать и вычислить фрактальную размерность траектории диффузионного броуновского движения наночастиц латекса и серебра на границе пористое твердое тело – вода, в тонких пленках воды с наночастицами серебра на поверхности анодированного алюминия и сравнить ее с топологией поверхности твердого тела, измеренной методом атомносиловой микроскопии;

- определить влияние пористой поверхности твердого тела и концентрации сывороточного альбумина плазмы крови человека на диффузионную динамику в водных растворах;

- экспериментально исследовать методом импульсного фотолиза влияние структурирования водно-спиртовых растворов на интеркомбинационные переходы в молекулах родаминовых и акридиновых красителей, выяснить механизм этого влияния, а также определить кинетические и энергетические особенности эффекта внешних тяжелых атомов и пересольватации взаимодействующих частиц в зависимости от содержания органического компонента в воде;

- изучить термодинамические и оптические характеристики молекулярного светорассеяния на наночастицах в структурированных водных и водно-органических растворах;

- методом фотонной корреляционной спектроскопии исследовать диффузию наночастиц в ламинарном пограничном потоке вязкой жидкости на полированной поверхности и в ядре потока.

Методы исследования. Основные экспериментальные результаты, представленные в диссертационном исследовании, получены при изучении кинетики дезактивации триплеттриплетного поглощения органолюминофоров на установке импульсного лампового фотолиза (флеш-фотолиза) в широком интервале температур. Были использованы методы молекулярной спектрофотометрии и флуориметрии на сертифицированных отечественных приборах. Динамика молекулярного светорассеяния на наночастицах в водных и водноорганических растворах изучалась методом фотонной корреляционной спектроскопии. То пология поверхности твердых тел – анодированного алюминия и широкопористого кремнезема исследовалась на атомно-силовом микроскопе СММ-2000, изготовленном в г.Зеленограде. Гидродинамика пограничного слоя жидкости с наночастицами изучалась на оригинальной установке, совмещенной с установкой корреляционной спектроскопии.

Научная новизна работы состоит в развитии фундаментальных разделов фотофизики молекул и молекулярной динамики, основу которых составляет изучение обменнорезонансных взаимодействий и дезактивации возбужденных состояний люминофоров и динамики наночастиц в свободной жидкости и вблизи поверхности твердого тела, а также в водно-органических растворах.

1. Впервые методом фотонной корреляционной спектроскопии экспериментально исследована и смоделирована аномальная диффузия наночастиц латекса и серебра в воде вблизи пористой поверхности твердого тела (пористый кремнезем и анодированный алюминий), что позволило определить фрактальную размерность структурированного адсорбционного слоя из молекул воды и фрактальную размерность траектории диффузионного движения наночастиц, которая уменьшается с увеличением температуры раствора.

2. Определены энергии активации диффузионного броуновского движения наночастиц вблизи поверхности пористого твердого тела и в объеме воды; показано, что при температурах 40 – 45°С различие в коэффициентах диффузии наночастиц вблизи поверхности и в объеме воды исчезает, что означает разрушение адсорбционного слоя из молекул воды.

3. Показано, что диффузия молекул сывороточного альбумина плазмы крови человека значительно замедляется вблизи пористой поверхности твердого тела в связи с образованием адсорбционного слоя из молекул воды и белка; определена энергия агрегации молекул альбумина и энергия денатурации белка.

4. Установлено влияние клатратного (клеточного) наноструктурирования водноспиртовых растворов на безызлучательные интеркомбинационные переходы S1 ~~> T1 и T1~~> S0 в молекулах родаминовых и акридиновых красителей.

5. Показано, что в жидких водно-органических средах эффект внешних тяжелых атомов йода и брома заключается в ускорении безызлучательной дезактивации триплетных состояний органолюминофоров, а кинетика процесса лежит в диффузионной области и осложнена сольватационными эффектами взаимодействующих частиц при смене состава растворителя.

6. Обнаружена и исследована методом фотонной корреляционной спектроскопии в широком интервале температур аномальная диффузия наночастиц различного диаметра и химической природы, внедренных в различные водно-органические смеси; показано, что существуют две области объемного содержания органического компонента, в которых наблюдаются экстремальные значения коэффициентов диффузии наночастиц.

7. Впервые с помощью метода фотонной корреляционной спектроскопии определены толщины ламинарного пограничного слоя потока наночастиц; обнаружено, что переход ламинарного течения в вихревое происходит при значительно меньших числах Рейнольдса, на которые указывает теория и практика гидродинамических исследований.

Практическая ценность работы:

1. Экспериментальные результаты и моделирование процессов аномальной диффузии наночастиц различного размера и химической природы вблизи пористой поверхности могут быть использованы в медико-биологических исследованиях поведения воды и крови в капиллярах, порах и мембранах, вблизи костной ткани и т.д.

2. Полученные результаты по безызлучательной дезактивации триплетных состояний молекул органолюминофоров в водно-органический растворах в областях клатратного структурирования смесей и в областях содержания органического компонента, где происходит пересольватация взаимодействующих молекул, могут быть использованы при создании сред для лазеров на красителях, в аналитической химии при концентрировании реагентов в нанополостях смеси, а также при решении задач химической утилизации солнечной энергии.

3. Предложенный метод зондирования структур водных и водно-органических растворов с помощью наночастиц различной химической природы и размеров может быть использован и для других жидких растворов, где имеются задачи определения стерических затруднений в бимолекулярных реакциях, проблемы динамического определения размеров пор и моделирования кинетики физико-химических процессов в тонких слоях жидкости на поверхности и в порах твердого тела.

4. Результаты исследования диффузии наночастиц в пограничных слоях ламинарного потока вязкой жидкости могут быть использованы при изучения кинетики и траектории отдельных наночастиц в потоке, что является большой проблемой в современной гидродинамике тонких слоев.

Основные защищаемые положения.

1. Диффузионные процессы макромолекул белков и наночастиц латекса и серебра вблизи поверхности пористого твердого тела происходят по законам аномальной диффузии, причем влияние фрактальных свойств поверхности твердого тела проявляется на макроскопических расстояниях от поверхности и определяется фрактальными свойствами адсорбционного слоя из молекул воды, которые изменяются с повышением температуры раствора.

2. При температурах 40 – 45°С различие в коэффициентах диффузии наночастиц вблизи поверхности и в объеме воды исчезает, что означает разрушение адсорбционного слоя из молекул воды.

3. Диффузия молекул сывороточного альбумина плазмы крови человека значительно замедляется вблизи пористой поверхности твердого тела в связи с образованием адсорбционного слоя из молекул воды и белка.

4. Клатратное наноструктурирование водно-спиртовых растворов существенно влияет на безызлучательные интеркомбинационные переходы S1 ~~> T1 и T1 ~~> S0 в электронновозбужденных молекулах родаминовых и акридиновых красителей.

5. В жидких водно-органических средах эффект внешних тяжелых атомов йода и брома заключается в ускорении безызлучательной дезактивации триплетных состояний органолюминофоров, а кинетика процесса лежит в диффузионной области и осложнена сольватационными эффектами взаимодействующих частиц при смене состава растворителя.

6. Существуют две области объемного содержания органического компонента, в которых наблюдаются экстремальные значения коэффициентов диффузии наночастиц.

7. Переход ламинарного течения в вихревое происходит при значительно меньших числах Рейнольдса, на которые указывает теория и практика гидродинамических исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

на IV Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2006» (КГТУ, Калининград, 21 – 23 октября 2006 г); на V Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2007» (КГТУ, г. Калининград, 23 – 25 октября 2007 г.);

на Международной научной конференции «Эксклав: из настоящего в будущее» (КГТУ, г.

Калининград, 23 – 25 октября 2007 г.); на XIV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». (МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 11 – 14 апреля 2007 г.); на XV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем». (г. Яльчик, 2008 г.); на III Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (г. Москва, 3 – 6 июня 2008 г.); на VI юбилейной Международной конференции «Инновации в науке и образовании – 2008» (КГТУ, г. Калининград., 21 – октября 2008 г.); на Международной конференция «Фотоника молекулярных наноструктур» (ОГУ, г. Оренбург, 16 – 19 сентября 2009 г.); на VII Международной конференции «Инновации в науке и образовании – 2009» (КГТУ, г. Калининград, 20 – 22 октября 2009 г).

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в печатных работах, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для соискателей ученых степеней кандидата и доктора наук.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»