WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 28 | 29 || 31 | 32 |   ...   | 43 |

Рис. 6. Диффузия атомов кремния в каплю золота Для того чтобы учесть реальные физико-химические процессы, имеющие место в процессе роста нитевидных кристаллов, а также для увеличения скорости роста вискера, вводится дополнительная сила, действующая на каждый отдельный атом рассматриваемой системы. Для объяснения природы этой силы обратимся к основным феноменологическим моделям.

В модели Гиваргизова–Чернова скорость роста вискера можно представить в виде:

dL 2ssv 2 R0 = Kµ2 = K µ0 - = K µ0 -, v dt kBT R R где K кинетический коэффициент кристаллизации; sv поверхностная энергия на границе кристалл-пар на единицу площади; s объем атома в кристалле; µv эффективная разность химических потенциалов в Моделирование роста нановискеров на активированной подложке газообразной и твердой фазе; µ0 разность химических потенциалов в паровой фазе и кристалле (пересыщение пара); R0 характерный размер Гиваргизова–Чернова.

Проинтегрировав уравнение движения, получим dri Fi (t, r (t)) = dt, i = 1, 2,..., N.

dt mi Поскольку в модели Гиваргизова–Чернова считается, что рост вискера осуществляется посредством прямого попадания атомов осаждаемого материала в каплю, в уравнении движения можно рассматривать лишь z dzi Fi составляющую силы вдоль оси z. Так для направления z имеем = dt, dt mi i = 1, 2,..., N. Так как атомы золота находятся на вершине вискера и z прикладывается к ним, то получим Fiz 1 U mi Ui Kµ2 dt = dt + zt z Kµ2 + dt.

v i i v mi mi z t z Основное уравнение элементарной модели диффузионного роста выглядит следующим образом:

R2 dL V - Vs 2Crl = - R2 + jdiff (L).

s dt s l Первое слагаемое в правой части учитывает адсорбцию на поверхности капли, второе рост неактивированной поверхности, третье десорбцию из капли и четвертое диффузию атомов с боковой поверхности.

Поток к основанию вискера равен V R jdiff (0) =, s R Nw V -Vs где = ; V скорость осаждения; R средний радиус капель; Nw V их поверхностная плотность; R радиус вискера; s объем атома в твердой фазе.

Поскольку нановискеров с малым диаметром в диффузионной модели наибольший вклад в процесс роста вносит диффузионный поток, то можно не учитывать явления адсорбции и десорбции, а также в силу отсутствия в данном временном диапазоне роста не активированной поверхности.

К осажденным атомам кремния прикладывается сила в плоскости x - y в направлении к оси z, т.е. с подложки к основанию вискера. А так как поток к основанию вискера определяется формулой (13), то для Fixy получим mis mi (V - Vs) mi V Ui Fixydt jdiff (0) = xy + dt.

R2 R R Nw i R R Nwt dr Поскольку на данный момент не представляется возможным просчитать методами молекулярной динами процесс длительностью около двух часов 284 А. В. Северюхин, О. Ю. Северюхина (а именно столько в среднем выращивают нановискеры на практике), для сокращения времени расчетов и увеличения скорости роста вискеров была использована теория подобия.

На основании первой и второй теорем подобия были получены следующие критерии подобия:

F RN F LN smV mVL 1 =, 2 =, 3 =, 4 =, xy E E F R3t F t где F средняя сила, действующая на каждый атом системы; R радиус вискера; N число атомов в вискере; E энергия системы; L высота xy вискера; m масса атома; F сила, действующая на осажденные атомы кремния; s объем атома; V скорость осаждения атомов кремния; VL скорость роста вискера; t время выращивания.

Зависимости скорости роста от критерия подобия 4 представлены на рис. 7. Полученные значения хорошо аппроксимируются линейной функцией, величина достоверности аппроксимации составляет 0,9676.

Линейный вид аппроксимирующей кривой говорит о корректности принятого допущения.

Рис. 7. Зависимость скорости роста от критерия подобия Теория подобия также применялась для определения порядка величины, прикладываемой к атомам системы силы. Так сила, действующая на осажденные атомы кремния, должна составлять от долей до нескольких единиц ккал/(моль*А), в то время как сила, действующая на атомы золота, от нескольких единиц до нескольких десятков ккал/(моль*А).

Нановискеры стабильно растут лишь в некотором диапазоне значений прикладываемой к атомам системы силы. При этом на вершине вискера вследствие диффузии образуется смесь золота и кремния (рис. 8), что согласуется с экспериментальными данными.

В ходе моделирования в ряде случаев наблюдался эффект своеобразного закручивания нанокристаллов. Возникновение этого явления можно объяснить перестроением структуры вискера (рис. 9), что качественно согласуется с экспериментальными данными.

Моделирование роста нановискеров на активированной подложке Рис. 8. Смоделированный нановискер Рис. 9. Перестроение структуры нановискера В ряде случаев после закручивания расплав Au-Si падает с вершины вискера, вследствие чего на подложке образуются, так называемые кремниевые наноострия. На рис. 10 представлено кремниевое наноострие полученное в ходе моделирования (в правом углу в эксперименте).

Выводы Предложена математическая модель начального этапа роста нановискеров на активированной поверхности методами молекулярной динамики. Представленная модель учитывает влияние разности химических 286 А. В. Северюхин, О. Ю. Северюхина Рис. 10. Кремниевое наноострие потенциалов различных фаз вещества, кинетического коэффициента кристаллизации, а также величины диффузионного потока осажденных атомов с поверхности подложки в вискер. Проведены комплексные численные исследования, которые показали возможность применения метода молекулярной динамики для моделирования начального этапа роста нановискеров. Результаты моделирования показали хорошую согласованность с экспериментальными данными.

Список литературы 1. Wagner R.S., Ellis W.C. Vapor-liquid-solid mechanism of single crystal growth // Appl. Phys. Lett. 1964. V.4. P.89.

2. Дубровский А.Г., Сошников И.П., Сибирев Н.В. О влиянии условий осаждения на морфологию нитевидных нанокристаллов // ФТП. 2007. Т.41. Вып.7.

С.888–896.

3. Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. М.: Наука, 1983. С.220–221.

4. Вахрушев А.В., Северюхин А.В., Северюхина О.Ю. Моделирование начального этапа роста нановискеров Si-Au на поверхности Si // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т.12, №1. C.24–35.

Северюхин Александр Валерьевич (severfam@mail.ru), аспирант, Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск.

Северюхина Олеся Юрьевна (lesienik@mail.ru), аспирант, Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск.

Моделирование роста нановискеров на активированной подложке Simulation of nanowhiskers growth on activated substrate A. V. Severyukhin, O. Yu. Severyukhina Abstract. A mathematical model of the initial stage of forming nanowhiskers based on methods of molecular dynamics are presented. The conditions for nanowhiskers growth are identified based on time-force analogy. The analysis of simulation results and their consistency with the experimental data are carried out.

Keywords: simulation, nanowhisker, substrate.

Severyukhin Alexander (severfam@mail.ru), postgraduate student, Institute of Applied Mechanics UB RAS, Izhevsk.

Sevryukhina Olesya (lesienik@mail.ru), postgraduate student, Institute of Applied Mechanics UB RAS, Izhevsk.

Поступила 21.10.Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 2. С. 288–Химия УДК 602.4:628.35:Устойчивость во времени ассоциации дрожжевых микроорганизмов Pichia angusta, Arxula adeninovorans и Debaryamyces hansenii В. А. Арляпов, Д. П. Вельмякин, М. А. Чепурнова, Е. Е. Бабкина, В. А. Алферов Аннотация. Изучена устойчивость во времени ассоциации дрожжей Pichia angusta BKM Y-2518, Arxula adeninovorans ВГИ 78(6) и Debaryamyces hansenii BKM Y-2482. Методами высева на твердую питательную среду, светового микроскопирования и методом с использованием амперометрического биосенсора показано что, через шесть недель после создания ассоциации доминирующим штаммом в ней является P. angusta, что связано с более высокой скоростью роста данных микроорганизмов.

Ключевые слова: биосенсор, биохимическое потребление кислорода, БПК, ассоциации микроорганизмов, Pichia angusta, Arxula adeninovorans, Debaryamyces hansenii.

Введение Для оценки степени загрязненности воды в настоящее время широко применяется параметр, определенный как индекс биохимического потребления кислорода (БПК). Продолжительность классических тестов для определения БПК составляет 5 суток и более, что неприемлемо в ряде случаев [1]. Для оперативного анализа разрабатываются методы оценки БПК, основанные на использовании биосенсорных анализаторов [2].

В БПК-биосенсорах в качестве распознающих элементов применяют микроорганизмы, способные метаболизировать широкий спектр органических соединений. Для создания биораспознающих элементов БПК-сенсоров используют либо чистые культуры микроорганизмов с определенными * Работа выполнена при поддержке ФЦП Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы, госконтракт № 16.512.11.2209 и программы СТАРТ-11, реализуемой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, госконтракт № 9373р/15101.

Устойчивость во времени ассоциации дрожжевых микроорганизмов потребительскими свойствами (широкий спектр окисляемых субстратов, устойчивость к воздействию негативных факторов окружающей среды), либо ассоциации микроорганизмов (искусственные ассоциации, активный ил) [3]. Использование ассоциаций микроорганизмов позволяет существенно повысить спектр окисляемых субстратов и, соответственно, правильность определения БПК. В то же время БПК-биосенсоры на основе ассоциаций микроорганизмов могут иметь недостаточную стабильность, причиной которой является изменение состава ассоциации с течением времени [4].

БПК биосенсоры, основанные на сложной микробной популяции, такой как в активном иле, имеют наилучшую способность к детекции широкого спектра субстратов, однако из-за нестабильности консорциума в течение времени, такие биосенсоры дают наименее воспроизводимые результаты. Для увеличения числа окисляемых субстратов при сохранении воспроизводимости ответов биосенсора чаще всего используют ассоциации микроорганизмов, состоящие не более чем из двух или трех штаммов [5].

Это приводит к расширению субстратной специфичности и стабилизации функционирования сенсора в течение длительного периода времени.

В качестве биокатализаторов при разработке БПК-биосенсоров используют целые клетки бактерий (Bacillus polymyxa, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida) и дрожжей (Arxula adeninivorans, Hansenula anomala, Trichosporon cutatenium, Serratia marcescens, Saccharomyces cerevisiae) [6]. Дрожжи являются более предпочтительным биоматериалом для биосенсоров почти всех типов, поскольку устойчивы к негативным факторам окружающей среды и могут функционировать в распознающем элементе биосенсора длительное время [7, 8]. В случае совместной иммобилизации дрожжевых и бактериальных клеток бактерии могут вытеснять дрожжи через 20 дней работы [9], поэтому при создании рецепторных элементов БПК-биосенсоров на основе ассоциаций микроорганизмов лучше использовать только дрожжевые клетки.

Целью настоящей работы являлось определение стабильности во времени ассоциации дрожжевых микроорганизмов Pichia angusta BKM Y-2518, Arxula adeninovorans ВГИ 78(6) и Debaryamyces hansenii BKM Y-2482.

Материалы и методы Культивирование биомассы дрожжевых микроорганизмов.

Клетки штаммов Debaryomyces hansenii BKM Y-2482, Pichia angusta ВКМ Y-2559 и Arxula adeninovorans ВГИ 78(6) были получены из Всероссийской коллекции микроорганизмов УРАН Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (г. Пущино).

Микроорганизмы Debaryamyces hansenii выращивали на богатой среде следующего состава: глюкоза 10 г/дм3, пептон 5 г/дм3, дрожжевой экстракт 0,5 г/дм3, при температуре 28С как описано в [10]. После культивирования клетки собирали центрифугированием при 4500 об/мин в 290 В. А. Арляпов, Д. П. Вельмякин, М. А. Чепурнова, Е. Е. Бабкина, В. А. Алферов течение 15 минут и отмывали двукратно 20 мМ натрий-фосфатным буфером с рН 6,8. Промытую биомассу взвешивали и хранили в микропробирках при +4С.

Микроорганизмы Pichia angusta ВКМ Y-2559 выращивали в жидкой среде при температуре 28С в среде следующего состава (г/дм3): (NH4)2SO 2,5; MgSO4·7H2O 0,4; K2HPO4·3H2O - 0,9; NaH2PO4·2H2O 3,9;

дрожжевой экстракт 0,5; глицерин 10; MnSO4 0,0012; CoCl2·6 H2O 0,0003; (NH4)6Mo7O24·4H2O 0,0002; CaCl2·2H2O 0,0015; FeSO4·7H2O 0,01; ЭДТА 0,001, как описано в [11]. После культивирования клетки собирали центрифугированием при 4500 об/мин в течение 15 минут и отмывали двукратно 20 мМ натрий-фосфатным буфером с рН 6,8.

Промытую биомассу взвешивали и хранили в микропробирках при +4С.

Микроорганизмы Arxula adeninovorans ВГИ 78(6) культивировали в аэробных условиях при 37C 24 часа в питательной среде следующего состава: 0,3% пептон, 0,3% мясной экстракт, 0,3% дрожжевой экстракт и 1,0% глюкоза, как описано в [12]. После культивирования клетки собирали центрифугированием при 4500 об/мин в течение 15 минут и отмывали двукратно 20 мМ натрий-фосфатным буфером с рН 6,8. Промытую биомассу взвешивали и хранили в микропробирках при +4С.

Получение кривых роста дрожжевых штаммов. Кривые роста микроорганизмов регистрировали спектрофотометрическим методом, снимая зависимость оптической плотности культуральной жидкости от времени. Измерения оптической плотности суспензии проводили на спектрофотометре СФ-103 (Аквилон, Россия) при длине волны 540 нм и толщине кюветы 1 см относительно кюветы с дистиллированной водой, каждые 2 часа в течение 2 суток.

Исследование штаммов методом микроскопирования.

Микроскопические исследования проводились на микроскопе проходящего света Биомед-6 (Россия). Для этого брали ранее выращенные штаммы Pichia angusta, Arxula adeninovorans, Debaryamyces hansenii и ассоциацию трех штаммов. В ламинарном боксе на стерильное предметное стекло наносили несколько капель красителя фуксина. Затем прокаленной петлей наносили на краситель немного клеток, тщательно перемешивали и оставляли до полного высыхания. На высохший препарат наносили имерсионное масло.

Готовый препарат помещали на предметный столик микроскопа и проводили исследования.

Исследование штаммов при высеве на твердую питательную среду. Клетки дрожжей Pichia angusta, Arxula adeninovorans, Debaryamyces hansenii и их ассоциацию выращивали на твердой среде LB, содержащей г пептона, 5 г дрожжевого экстракта, 5 г хлорида натрия и 16 г агара на л раствора. Полученные колбы с агаром стерилизовали автоклавированием, затем разливали в стерильные чашки Петри. Высев микроорганизмов Устойчивость во времени ассоциации дрожжевых микроорганизмов проводили в чашки Петри со стерильной средой LB методом истощающего штриха. Засеянные чашки помещали в термостат (28С) на 3 суток.

Pages:     | 1 |   ...   | 28 | 29 || 31 | 32 |   ...   | 43 |



© 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.