WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Ельникова Лилия Вячеславовна РЕШЕТОЧНЫЕ МОДЕЛИ ЛИОТРОПНОГО ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО УПОРЯДОЧЕНИЯ Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском Инженерно-Физическом Институте (Государственном Университете)

Научный консультант: -доктор физико-математических наук, профессор Быковский Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: -доктор физико-математических наук Дмитриенко Владимир Евгеньевич, -кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Емельяненко Александр Вячеславович

Ведущая организация: Российский Университет Дружбы Народов

Защита состоится _ ноября 2006 года в часов на заседании диссертационного совета Д.501.002.01 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГПС-2, Москва, Ленинские Горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 25 сентября 2006.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.501.002.01 кандидат физико-математических наук Т.В. Лаптинская 4 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Диссертация посвящена теоретическому изучению критических явлений в лиотропных жидких кристаллах и агрегатах с помощью решеточных моделей и их численного решения. В основу положены современные экспериментальные результаты по лиотропным переходам в некоторых системах различных классов, не имеющие законченной интерпретации.

Лиотропные жидкие кристаллы (ЛЖК) - это системы из двух и более компонентов, поверхностно-активных веществ и растворителя, проявляющие полиморфизм при изменении концентрации (в отличие от термотропных жидких кристаллов (ТЖК), однокомпонентных систем, в которых фазовые переходы индуцированы изменением температуры). В отличие от ТЖК, ЛЖК способны образовывать надмолекулярные структуры, или термодинамически устойчивые агрегаты, предшествующие лиотропным ЖК фазам.

Актуальность проблемы исследования ЛЖК фазы и агрегаты являются основными строительными блоками различных биологических структур (клеточных мембран, хлоропластов, миелиновых оболочек нейронов и пр.). Процессы их самосборки продолжают интенсивно изучаться до настоящего времени, стимулируемые совершенствованием методов физического эксперимента.

Коллективные взаимодействия амфифильных молекул в растворах играют важную роль в образовании высокомолекулярных соединений в составе живых организмов: белков, полисахаридов и пр., в настоящее время успешно проводится синтез их новых представителей, ЛЖК структур, и исследование их мезоморфных свойств.

На сегодняшний день особенно остро ощущаются проблемы экологии и мониторинга окружающей среды, безопасности общества. Жидкие кристаллы эффективны в измерениях концентрации практически любых сред, поскольку они обладают предельно высокой чувствительностью вблизи границ фазовых переходов. С этой позиции возможности лиотропных жидких кристаллов еще не достаточно глубоко не исследованы. Весьма существенным является факт, что фазовые переходы, индуцированные изменением концентрации, позволяют обнаруживать содержание в растворах органических примесей, в том числе, наркотических препаратов и других химических соединений.

В качестве одной из технических реализаций этой возможности являются волоконно-оптические датчики (ВОД) с жидкими кристаллами, в том числе зонды и биохимические датчики концентрации на основе ЛЖК, это техническое направление сформировалось 80 гг. прошлого столетия.

Масштабы внедрения ВОД концентрации растворов в медицинской и экологической диагностике оказались значительными благодаря их низкой стоимости и высоким эксплуатационным показателям.

Необходимость оценок возможностей практического применения ЛЖК систем требует от теории большей предсказательной силы.

Самоорганизация материи, подобная лиотропным многокомпонентным системам, не наблюдается и не рассматривается в свете проблем термотропного мезоморфизма, развитие экспериментальных и теоретических методов изучения термотропных и лиотропных ЖК исторически происходило независимо друг от друга [a1] - [a2]. В отличие от теории ТЖК, для лиотропных ЖК из-за сложности параметра порядка необходимо расширить аппарат теории применением статистических и топологических методов, теоретико-группового анализа [а3].

В рамках феноменологической теории Ландау были обнаружены аналогии и общие закономерности в морфологии ЛЖК, по симметрийным признакам проявляющиеся в явлениях сверхпроводимости, сверхтекучести, физики ферромагнетиков и полимеров. Так, например, в теории лиотропных мембран [а3-a6], в описаниях мезоморфизма отдельных неорганических ЛЖК нематиков [а7] применяется аппарат топологических дефектов, но в целом, возможности топологических методов в теории ЛЖК недостаточно реализованы.

Многие фундаментальные проблемы естествознания взаимосвязаны с самоорганизацией лиотропных ЖК систем, а наука о ЛЖК носит междисциплинарный характер, смежный с проблемами химии, биофизики, топологии, кибернетики и других областей знания.

Целью работы является 1. Разработка модели и методов расчета термодинамических и структурных параметров фазовых переходов в ЛЖК – системах c неионными сурфактантами, наблюдаемых на эксперименте: а) для объяснения увеличения периода повторяемости ламеллярной везикулы системы димиристоилфосфатидил-холин/моноэфир додецилоктаэтиленгликоль/ вода (DMPC/C12E8/H2O), б) для объяснения лиотропных переходов между ламеллярными и сетчатыми фазами симметрии R m в системах полиоксиэтилированных соединений типа CmEOn/2H2O при понижении температуры. 2. Построение модели образования поверхностных доменов в замкнутых липидных везикулах системы 1,2- дипальмитоил-фосфатидилхолин/1,2- дилауроилфосфатидилхолин/ холестерол (DPPC/DLPC/холестерол) и исследование закономерностей их эволюции. 3. Оценка применимости различных моделей лиомезоморфизма на примере определения параметров динамических процессов в псевдочетверной системе вода/ масло/ сурфактант/ косурфактант (вода/ додецилсульфат натрия/ толуол/ бутанол) в их лиотропных переходах. 4. Анализ возможностей практического применения лиотропных систем, в частности, в волоконно-оптических датчиках концентрации для биомедицинских и экологических задач.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту Установлен лиотропный характер самоорганизованного поведения ламеллярной фазы в системе DMPC/C12E8/H2O в рамках численного анализа модели Блюма-Капеля, найдена зависимость увеличения периода повторяемости мультиламеллярной везикулы от концентрации неионного сурфактанта C12E8.

Разработан метод численного решеточного анализа структурных параметров четырехкомпонентных систем типа вода/масло/сурфактант/косурфактант (вода/ додецилсульфат натрия/толуол/бутанол) в микроэмульсионных и ламеллярных агрегатах в динамических переменных.

Разработана решеточная модель лиотропного образования микро- и наноскопических липидных доменов на поверхности везикул системы липиды-холестерол DPPC/DLPC/холестерол) в условиях непрерывного перехода.

Для семейства сетчатых фаз, образующихся в водных растворах неионных сурфактантов CmEOn (полиоксиэтилированных соединениях C16EO6/2H2O и C30EO9/2H2O) разработана решеточная модель перехода из ламеллярной фазы в фазу с ромбоэдрической симметрией пространственной группы R m, предшествующей гексагональной фазе при понижении температуры. Определены структурные параметры фазы R m методом Монте-Карло на решетке, учитывающим кривизну поверхности.

На уровне моделирования предложена схема измерения рН воды на основе липидного волоконно-оптического датчика.

Апробация работы Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах МИФИ, ИТЭФ, Института кристаллографии РАН им. А.В. Шубникова, на IV и V Национальных конференциях по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов РСНЭ-2003, РСНЭ НАНО-(Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова), на V и VII научных конференциях молодых ученых и специалистов ОИЯИ (Дубна 2001, гг.), на научных сессиях МИФИ 2000, 2001, 2003, 2004, 2005 гг., на Международной конференции "Оптика-2001" (Санкт-Петербург), II Международной конференции молодых ученых и специалистов 2003 (II International Conference Laser Optics for Young Scientists. LOYS-2003) и Международных конференциях "Оптика-2003" (Санкт-Петербург), "Фундаментальные проблемы оптики-2004" (Санкт-Петербург), на Международной конференции "Nanoscale Properties of Condensed Matter Probed by Resonance Phenomena" (NANORES-2004) в Казани, XXI Международной конференции "Нелинейные процессы в твердых телах" (RPS-21, Воронеж, 2004), Международной школе молодых ученых "IV Чистяковские чтения" (Иваново, 2004), Восьмой Европейской конференции по жидким кристаллам (Сесто, 2005) и 14 Международной конференции по внутреннему трению и механической спектроскопии (ICIFMS-14, Киото, 2005).

Публикации По теме диссертации в научных журналах и сборниках трудов научных школ и конференций опубликованы работы [1-19].

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из пяти глав и четырех приложений общим объемом 150 страниц, включая 3 таблицы, 26 рисунков и список цитированной литературы из 229 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Во введении кратко сообщается об истории открытия и исследований ЛЖК фаз и агрегатов, определяется терминология и методы исследований, дается общая характеристика работы, формулируются цели работы, основные результаты и защищаемые положения, актуальность темы, новизна и практическая значимость результатов.

Глава Глава представляет собой обзор литературы. В ней перечисляются основные экспериментальные методы исследования ЛЖК структур, дается вводное представление об установленной номенклатуре и топологических классах исследуемых объектов. Кратко освещаются основные теоретические подходы, применяемые для описания фазового поведения ЛЖК фаз и агрегатов. Делается акцент на микроскопические модели, связанные с возможностью численного решения [1-2], [14-15].

Глава Глава посвящена моделированию фазового состояния мультиламеллярной везикулы в сильно разбавленном растворе системы DMPC/C12E8/H2O, в ней используются данные экспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов и рентгеновских лучей, выполненных группой Киселева [a8] на спектрометре YuMO (ИБР-2, Дубна) и на др.

установках за рубежом.

Согласно экспериментальным результатам [a8] для липидносурфактантного водного раствора DMPC/C12E8/H2O, в мезоморфной последовательности в режиме медленного повышения температуры при лиотропном (индуцированном добавлением сурфактанта) переходе, липидный бислой трансформируется в многослойную везикулу (рис. 1).

Мезоморфные свойства водных растворов неионных сурфактантов типа CiEj с липидом DMPC подробно рассмотрены в литературе [a9], построены фазовые диаграммы, отражающие лиотропную природу образования агрегатов и ЖК-фаз. Известные континуальные описания мембранных фаз основаны на феноменологической теории Хельфриха и Грюнера о спонтанной кривизне.

Образование новых бислоев в ламеллярных фазах может быть также интерпретировано топологическими особенностями в виде дисклинаций в смектиках (аналогичные «террасам Гранжана» в ТЖК [а10]). Однако, согласно эксперименту, данная задача не ограничивается симметрией D2 и мотивирует построение единой модели, в рамках которой возможно описание полной серии переходов в названной тройной системе.

Кроме макроскопического континуального описания самоорганизованного поведения подобных систем существует представление свободной энергии системы в терминах микроканонического ансамбля на решетке (Ларсон, Сулливан [a11], Вайдом и Шик, Зуккерман и др.), энергия ориентационного и изотропного взаимодействий выражается через коэффициенты гамильтониана модели типа Изинга.

Рис.1 Фрагмент мезоморфной последовательности в DMPC/C12E8/H2O [a8].

В настоящей работе, как и в некоторых ранних интерпретациях трехкомпонентных лиотропных систем, использован гамильтониан модели Блюма-Капеля:

r r r r 2 2 2 2 2 H = -J1 - J2 u + ) - J3 ( suruv + svrvu ) u v ( v v u v u (1) - µs ) - µl u ( -1) / 2, (1- u u u u в различных конфигурациях узлы решетки случайно заняты одним из состояний i (i =1,0,-1 соответствует молекул воды, молекуле r r сурфактанта), ruv – вектор в направлении от узла u к узлу v, su - вектор ориентации молекул, находящихся в соответствующих узлах, µs, µl – химические потенциалы сурфактанта и липида соответственно, J1, J2 и J3 - константы ориентационного взаимодействия [6, 8, 12].

0,58 0,60 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 0, Молярная доля сурфактанта С12Е8, % Рис. 2. Увеличение периода повторяемости мембранной везикулы DMPC/C12E8/H2O по результатам моделирования Монте-Карло.

В результате проведенных в диссертации вычислений методом МонтеКарло на решеточной модели найдены основные зависимости критических величин, по распределению спиновой плотности построена эволюция Расстояние между бислоями, Анг.

периода повторяемости мембранной везикулы в зависимости от концентрации неионного сурфактанта (рис. 2), качественно согласующаяся с другими литературными сведениями по мембранной самосборке [a12] и экспериментом.

В рамках решеточного метода переход от мембранного бислоя водного раствора липида DMPC к системе бислоев в тройной системе можно интерпретироватькак последовательность переходов между смектической и изотропной фазами и упорядочение в смектическую фазу с другим параметром порядка, избегая при этом возникновения предсказываемой теорией среднего поля складчатой смектической фазы (риппл – фазы), существование которой для системы DMPC/C12E8/H2O не согласуется с экспериментальными результатами.

Глава В лиотропных системах часто оказываются существенными релаксационные процессы, связанные с перестройкой размеров сверхструктур (например, мицелл) к равновесным значениям [a2], определяемым, в том числе, значениями локальных концентраций компонентов, тогда как в ТЖК из-за отсутствия надмолекулярных структур и градиентов концентрации эти процессы несущественны.

Pages:     || 2 | 3 |






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