WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 6 Необычные электромеханические эффекты в глицине © В.В. Леманов, С.Н. Попов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 2 февраля 1998 г.) В порошке аминокислоты глицина на частоте около 10 MHz наблюдались необычные сигналы пьезоотклика, имеющие регулярный во времени характер, обусловленный периодическим изменением фаз упругих колебаний отдельных частиц. Эффект объясняется образованием пространственных структур в порошке глицина под воздействием сильного радиочастотного поля.

Глицин, NH2CH2COOH, является простейшей из 20 определяется величиной затухания упругих колебаний в белковых аминокислот. Кристаллы глицина существуют данном веществе. При частоте 10 MHz более или менее в виде трех модификаций: -глицин с точечной груп- типичное значение затухания для мягких кристаллов, пой симметрии C2h, -глицин с группой симметрии C2 подобных глицину, составляет порядка 0.1dB/µs, что и -глицин с симметрией C3 [1–4]. Таким образом, приводит к времени затухания частицы порядка 100 µs кристаллы -глицина центросимметричны и не облада- (время, за которое амплитуда колебаний уменьшается ют пьезоэффектом, а - и -глицин имеют полярные в 2.7 раза). Упругие колебания частицы за счет прямого группы симметрии, т. е. являются пьезоэлектриками, пи- пьезоэффекта преобразуются в электрический сигнал роэлектриками и, в принципе, могут быть и сегнето- той же частоты, который детектируется регистрируюэлектриками. щей системой. Результирующий сигнал, наблюдаемый на В настоящей работе изучались элекромеханические экране осциллографа, будет представлять собой экспоэффекты, связанные с пьезоэлектрическим возбуждени- ненциально затухающий видеосигнал с длительностью ем упругих колебаний в порошке глицина. Использова- порядка 100 µs (рис. 2, a). В действительности образец лась установка ядерного квадрупольного резонанса ИС-2. состоит из очень большого числа частиц (105-106), но Регистрация сигналов осуществлялась с помощью мно- при одинаковых размерах, форме и ориентации частиц гоканального накопителя АИ-1024. Порошок глицина в по отношению к электрическому полю все частицы стеклянной ампуле объемом около 1.5 cm3 помещался в будут колебаться в ”унисон”, и регистрируемый сигнал конденсатор контура (рис. 1), на который подавались будет иметь тот же вид, что и для одной частицы.

импульсы напряжения длительностью от 1 до 6 µs с Реальный порошкообразный образец содержит частицы радиочастотным заполнением с частотой около 10 MHz разных размеров, формы и ориентации, и это должно при частоте следования импульсов 40 Hz. Максимальная привести к изменению регистрируемого сигнала. Поамплитуда напряжения на контуре составляла 6 kV, что сле окончания радиочастотного импульса фазы упругих соответствовало полю на образце около 5 kV/cm.

колебаний частиц начинают расходиться, и колебания В таких экспериментах в пьезоэлектрических порош- окажутся в противофазе через время T = 1/2 f, где ках после каждого радиочастотного импульса возника- f — полоса частот генератора, которая зависит от ет так называемый ”пьезозвон”, длительность которого определяется временем затухания упругих колебаний в порошке. Оказалось, что в порошке глицина наблюдается совершенно своеобразный пьезоотклик (рис. 2, c), отличающийся от обычного ”пьезозвона” (рис. 2, b). Для порошка глицина радиочастотный сигнал пьезоотклика имеет регулярную амплитудную модуляцию, период которой остается постоянным вплоть до полного затухания сигнала.

Рассмотрим более подробно, как возбуждаются и регистрируются сигналы пьезоотклика. Пусть в конденсаторе контура находится одна частица (одна ”порошинка”).

Под действием электрического поля радиочастотного импульса в частице за счет обратного пьезоэффекта возбуждаются упругие колебания той же частоты (в нашем случае около 10 MHz), причем возбуждение наиболее эффективно в условиях резонанса, когда размеры частицы равны половине длины волны упругих колебаний. После прекращения действия радиочастотного импульса частица продолжает колебаться в течение времени, которое Рис. 1. Конденсатор с образцом в контуре генератора.

Необычные электромеханические эффекты в глицине На рис. 2, c приведен сигнал пьезоотклика порошка глицина. Видна четкая регулярная структура сигнала — наблюдаются периодические осцилляции амплитуды сигнала с периодом около 12 µs при общем экспоненциальном уменьшении величины сигнала с постоянной времени около 60 µs. Период осцилляций, как показывает эксперимент, можеть иметь различную величину в интервале примерно от 5 до 50 µs (см. рис. 3, 4). Приведенные сигналы получены для порошка определенной фракции (70-100 µm), выделенной просеиванием порошка через мерные сита, но и в исходном, непросеянном порошке наблюдались сигналы примерно такого же вида. Существенно отметить, что для возникновения такого регулярного сигнала иногда требовалось некоторое очень небольшое (и трудно контролируемое) время воздействия радиочастотным импульсом на образец. Кроме того, оказалось, что если порошок в ампуле упакован достаточно плотно, то возникновение таких сильных регулярных сигналов практически невозможно. Все это наводило на мысль, что в порошке под воздействием сильных радиочастотных импульсов возникают какие-то упорядоченные пространственные структуры, которые и приводят к упорядоченным во времени сигналам. Для проверки этого предположения был проведен следующий эксперимент. После получения регулярного сигнала (рис. 3, = 0) ампула с порошком поворачивалась вокруг своей вертикальной оси (рис. 1), перпендикулярной направлению радиочастотного электрического поля в конденсаторе. Как видно на рис. 3, при повороте на углы = /2 и 3/2 относительно исходного положения сигнал практически исчезал, при повороте же на углы = и 2 сигнал восстанавливался до примерно Рис. 2. Сигналы пьезоотклика порошка (”звучание” порошка исходной величины. Подчеркнем, что ориентация ампосле окончания действия короткого радиочастотного импульпулы определяется именно ее начальным положением са). a — идеализированный сигнал образца, состоящего из одиотносительно радиочастотного электрического поля: так наковых по размеру, форме и ориентации частиц; b — сигнал после встряхивания ампулы (разрушение структуры) в порошка L-аланина — типичный сигнал для обычных пьеположении = /2 можно получить сильный сигнал и в зопорошков. Длительность радиочастотного импульса 4.5 µs, таком положении и после этого можно наблюдать такую частота 9.52 MHz, c — сигнал порошка глицина. Длительже картину изменения сигнала при изменении угла, как ность импульса 4.1 µs, частота 10.41 MHz. Период модуляции на рис. 3, но со сдвигом по углу на /2.

T = 12 µs.

На рис. 4 представлен сигнал пьезоотклика того же образца при несколько иной несущей частоте и длительности радиоимпульса. Период модуляции сигнала в этом длительности импульса и составляет в нашем случае случае оказывается большим, чем на рис. 3, но угловая около 500 kHz. Это время является минимальным вре- зависимость имеет такой же вид.

менем расфазировки, поскольку максимальное различие Угловая зависимость сигнала на рис. 3 и 4 подтверждав частотах колебаний частиц составляет f. Время ет гипотезу о формировании в порошке под действием расфазировки колебаний частиц с меньшим различием сильного радиочастотного поля определенных пространчастот будет больше (вплоть до времени затухания). Все ственных структур, которые, по-видимому, и проводят к это должно приводить к нерегулярным во времени изме- наблюдаемым регулярным сигналам.

нениям величины сигнала. Такие нерегулярные сигналы Обсудим теперь полученные результаты. Поскольку в пьезоотклика наблюдаются в порошках обычных пьезо- порошке глицина наблюдается пьезоэффект, то мы имеем электриков SiO2, Bi12SiO20, KDP и др. Для примера на дело с - или -фазой. По литературным данным -фаза рис. 2, b приведен сигнал пьезоотклика порошка другой неустойчива на воздухе, т. е. исследуемый нами порошок аминокислоты — L-аланина, NH2CHCH3COOH (группа содержит, по-видимому, -фазу (для наших дальнейших симметрии D2). Видно, что сигнал действительно имеет рассуждений принадлежность к - или -фазе не являнерегулярную структуру. ется существенной, важно лишь наличие пьезоэффекта).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1088 В.В. Леманов, С.Н. Попов Рис. 3. Угловая зависимость сигнала пьезоотклика порошка Рис. 4. Угловая зависимость сигнала пьезоотклика порошка глицина. Длительность импульса 6.4 µs, частота 9.45 MHz.

глицина. Длительность импульса 4.4 µs, частота 9.693 MHz.

Период модуляции T = 17 µs.

Период модуляции T = 60 µs.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Необычные электромеханические эффекты в глицине Отметим, что в монокристаллах глицина, выращенных фазовых переходах второго рода или переходах первого из водного раствора с использованием того же порошка, рода, не очень далеких от трикритической точки), то пьезоэлектрический эффект отсутствует, т. е. это кри- при f = 10 MHz получаем T = 10 µs, что по порядку сталлы -модификации с центросимметричной группой величины согласуется с экспериментом. Поскольку отноC2h [5]. Все это позволяет предположить, что исходный сительные изменения скорости зависят и от ориентации порошок глицина представляет собой смесь фаз: непье- непьезоэлектрических частиц, то период осцилляций T зоэлектрической -фазы и пьезоэлектрической - или может изменяться в некоторых пределах.

-фазы (или обеих). Предлагаемый механизм возникновения регулярных В таком случае предлагается следующей механизм сигналов пьезоэлектрического отклика в порошке глинеобычных электромеханических эффектов в глицине. цина является, конечно, гипотетическим и нуждается в В сильном электрическом поле радиочастотного им- подтверждении.

пульса происходит ”выстраивание” частиц (порошинок) пьезоэлектрической (и полярной) фазы так, что их оси Список литературы симметрии оказываются параллельными направлению электрического поля, т. е. перпендикулярными обклад[1] R. Marsh. Acta Cryst. 11, 654 (1958).

кам плоского конденсатора. Такое выстраивание мо[2] Y. Iitaka. Acta Cryst. 11, 225 (1958).

жет быть связано с взаимодействием электрического [3] Y. Iitaka. Acta Cryst. 13, 35 (1960).

поля как со спонтанной электрической поляризацией, [4] Y. Iitaka. Acta Cryst. 14, 1 (1961).

направленной вдоль оси симметрии, так и с поляри- [5] D. Vasilescu, R. Cornillon, G. Mallet. Nature 225, 635 (1970).

зацией, наведенной электрическим полем вдоль этой оси. Взаимодействие поляризованных частиц приводит далее к ”налипанию” частиц непьезоэлектрической фазы на пьезоэлектрические частицы. В этих процессах налипания определенную роль могут играть молекулы воды, адсорбированные на поверхности частиц (глицин относительно гигроскопичен). В результате образец приобретает структуру, состоящую из ориентированных по полю частиц пьезоэлектрической фазы с налипшими на них непьезоэлектрическими частицами. Такая структура оказывается достаточно устойчивой: при повороте ампулы с порошком структура поворачивается вместе с ампулой; воздействие электрического поля не приводит к перестройке уже сформированной структуры; структура разрушается только при механическом воздействии (при встряхивании ампулы).

Каким же образом рассмотренная структура может привести к появлению регулярного сигнала Пьезоэлектрическую частицу с прилипшими к ней частицами непьезоэлектрической фазы (это может быть и одна такая частица) можно рассматривать как систему слабосвязанных осцилляторов. Упругие колебания под действием радиочастотного импульса возбуждаются только в пьезочастице (и она же дает пьезоэлектрический отклик) и передаются через слабую связь другим (другой) частицам. Поток энергии между частицами будет определяться разностью фаз колебаний и пропорционален sin = sin(t), где —разность резонансных частот пьезо- и непьезочастиц. Существует много аналогий таких слабосвязанных систем — от механических маятников до переходов Джозефсона. При одинаковых размерах частиц различие в частотах будет определяться только различием в скорости упругих волн / =v/v. Время, за которое разность фаз изме нится на, равно T = / = 1/ 2 f (v/v). Если предположить, что относительная разность скоростей пьезоэлектрической и непьезоэлектрической фаз составляет 0.5% (более или менее типичная величина при Физика твердого тела, 1998, том 40, №




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.