авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
-- [ Страница 1 ] --

ФГАОУ ВПО "Казанский (Приволжский)

федеральный университет",

кафедра вычислительной физики и моделирования

физических процессов

Сервис виртуальных

конференций Pax Grid

На стыке наук

.

Физико-химическая серия

I Международная Интернет-конференция

Казань,24-25 января 2013 года

Сборник трудов

Казань

"Казанский университет"

2013

УДК 544 (082) ББК 22.36 Н12 НА СТЫКЕ НАУК. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ СЕРИЯ cборник трудов I международной Интернет-конференции.

Казань, 24-25 января 2013 г. /Редактор Изотова Е.Д. - ФГАОУ ВПО "Казанский (Приволжский) федеральный университет, Н12 кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессов;

Сервис виртуальных конференций Pax Grid.- Казань: Изд-во "Казанский университет", 2013. 395с.

Сборник составлен по материалам, представленным участниками I международной Интернет-конференции "На стыке наук. Физико-химическая серия". Конференция прошла 24-25 января 2013 года. Издание освещает вопросы, связанные с моделированием классической и квантовомеханической молекулярной динамики, построением моделей и разработкой методов обработки сигналов и шумов в сложных (живых и неживых) системах, а так же методов исследования физико-химических свойств молекул. В сборнике представлены работы по кристаллографии, биофизике, физике полимеров и медицинской химии. Книга будет представлять интерес для преподавателей, научных работников, аспирантов и учащихся соответствующих специальностей.

Редактор: Изотова Е.Д.

Материалы представлены в авторской редакции © ФГАОУ ВПО "Казанский (Приволжский) федеральный университет, кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессов, © Система виртуальных конференций Pax Grid, © Авторы, указанные в содержании, Оргкомитет Председатель:

Мокшин Анатолий Васильевич - к.ф.-м.н., доцент зав. кафедрой вычислительной физики и моделирования физических процессов Казанского (Приволжского) федерального университета Сопредседатель:

Алимова Фарида Кашифовна - д.б.н., проф., зав. кафедрой биохимии Казанского (Приволжского) федерального университета Программный комитет:

Сафаров Рафкат Хабибулаевич - д.ф.-м.н., профессор, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Нефедьев Юрий Анатольевич - д.ф.-м.н., профессор, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Ситдиков Айрат Салимович - д.ф.-м.н., доцент, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Акберова Наталья Ивановна - к.б.н., доцент, Казанский (Приволжский) q федеральный университет Хуснутдинов Рамиль Миннегаязович к.ф.-м.н., доцент, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Панищев Олег Юрьевич - старший преподаватель, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Дёмин Сергей Анатольевич - старший преподаватель, Казанский q (Приволжский) федеральный университет Исполнительный оргкомитет:





Тарасов Д.С. - координатор Pax Grid q Изотова Е.Д. - координатор Pax Grid q Алишева Д.А. - исполнительный секретарь q ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСОРНОЙ СПОСОБНОСТИ БИСЛОЙНЫХ ЛИПИДНЫХ МЕМБРАН Адельянов А.М., Яковенко Л.В., Башкиров П.В., Ожередов В.А.

МГУ имени Ломоносова Физический Факультет, ИФХЭ имени Фрумкина, ЗАО "Российские Высокие Технологии" gorod_tumanov@yahoo.com Известно, что наиболее интересные явления в природе происходят на различных границах. К одной из таких границ в биофизике можно отнести клеточную мембрану. Мембраны в клетке выполняют несколько важных метаболических функций. Известно, что метаболизм клетки определяет состав и состояние мембраны, что отражается на мембранном потенциале. В свою очередь, изменение мембранного потенциала может приводить к изменениям в метаболизме клетки.

Такая взаимная связь между клеточной мембраной и клеточным метаболизмом дает возможность связать задачу диагностики состояния клетки в зависимости от воздействия на нее внешних физико-химических факторов с задачей диагностики состояния ее мембраны.

Можно сформулировать вопрос о чувствительности мембраны, как клеточной структуры, к воздействию химических и физических факторов.

Поэтому в работе поставлена цель показать, что для мониторинга состояния мембраны можно использовать каналоформер грамицидин в качестве зонда-сенсора.

Применяемый в работе грамицидин D это смесь линейных пентадекапептидов A, B, C, вырабатываемых бактерией Bacillus brevis.

Димеры грамицидина D, массой около 3800 кДа, образованные по принципу голова к голове (т.е. N-конец к N-концу), способны проводить моновалентные катионы (проводимость порядка 107 ионов/с). В качестве мембраны в работе выбирали искусственные бислойные липидные мембраны известного состава. Мембрану погружали в буфер из соляной кислоты или смеси растворов хлоридов калия и натрия. На мембране с помощью микроэлектродов формировали пэтч, снимали его вольтамперную характеристику в присутствии и в отсутствие грамицидина. Опыты ставили в двух условиях: 1) без специального химического агента, 2) в присутствие некого вещества влияющего на состояние мембраны.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Данные, представляющие собой запись тока через участок мембраны во времени при различных разностях потенциалов на микроэлектроде, обрабатывались специально сформированной и обученной нейросетью, реализованной на программном пакете MATLAB.

Первая серия опытов проводилась в условиях добавления специального химического агента в кювету с мембраной, погруженной в буфер, в присутствии и в отсутствии в растворе грамицидина. Условия:

грамицидин D 10 -10 М, буфер HCl 0,1 М, мембрана DOPC:DOPE (3:1, v/v), температура 21-22° С.

Расчеты показали, что при добавлении грамицидина нейросеть способна различить два состояния мембраны (присутствие и отсутствие специального химического агента) безошибочно. Однако, в отсутствие грамицидина в растворе нейросеть различает те же состояния мембраны не лучше, чем с 10% ошибкой (см.рис.1).

Вторая серия опытов проводилась только в присутствии грамицидина в растворе, при участии, либо не участии специального химического агента. Сравнение проводили между аналогичными опытами при указанных условиях, проведенных в разные дни, 30 ноября и 7 декабря 2012 года. Таким образом, проверяли воспроизводимость результатов обработки данных. Из рисунка видно, что нейросеть в одном случае различает два состояния мембраны (ошибка 0,9%), а в другом случае не различает (ошибка 50%). Объяснением этого может служить то, что нейросеть обучалась на данных одного экспериментального дня. Таким образом, нейросеть не может учесть всех неизбежных малых «флуктуаций» условий эксперимента при его повторении (см.рис.2).

Недостатком работы относится отсутствие исследований состояния мембраны при воздействии физико-химических факторов другими методами, такими как, например, метод флуоресцентных зондов, метод компенсации внутри-мембранного поля, т. к. изменение состояния мембраны необходимо проверить разными независимыми методами.

Тем не менее, изложенный метод работоспособен, а недостатки работы определяют перспективу ее дальнейшего развития.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 1. Слева результат работы нейросети в отсутствие грамицидина (ошибка 10%), справа результат обработки с грамицидином (ошибки нет). Число полос на левом рисунке показывает количество ошибок в распознавании. Справа же четко разделены два состояния 0(нет воздействия) и 1(есть воздействие).

Рис. 2. Слева обученная на опыте 7 декабря нейросеть распознала состояния мембраны в опыте 30 ноября (ошибка 0,9%). Справа обученная на опыте 30 ноября нейросеть не распознала состояния мембраны в опыте 7 декабря (одно состояние, ошибка 50%).

Литература 1. Р. Геннис. Биомембраны: структура и функции. «Мир», перевод с английского, 1997, 600 с.

2. Meyer B. Jackson. Molecular and cellular biophysics. Cambridge University Press, 2006, p. 512.

3. Devaki A. Kelkar. The gramicidin ion channel: a model membrane protein.

Biochimica et Biophysica Acta, v. 1768, 2007, p. 2011-2025.

4. Andersen O.S. Ion movement through gramicidin A channels:

single-channel measurements at very high potentials. Biophys. J., v. 41, feb 1983, p. 119-133.

На стыке наук. Физико-химическая серия. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕСКРИПТОРОВ РАССЧИТАННЫХ В ВОДНОЙ ФАЗЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДНЫХ N–АРИЛЗАМЕЩЕННЫХ АНТРАНИЛОВЫХ КИСЛОТ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ КОНСТАНТ ЛИПОФИЛЬНОСТИ Андрюков К.В., Коркодинова Л.М.

ГБОУ ВПО Пермская государственная фармацевтическая академия k_andrukov@mail.ru Для надлежащего предсказания способности эффективного взаимодействия молекулы лекарственного средства с биологической мишенью, должны быть определены количественно: распределение, в липофильную окружающую среду, при различных значениях pH, и структурная близость. Проникновение биологически активного соединения к участку действия, представлено гидрофобностью, чаще всего определяемой количественно коэффициентом распределения 1-octanol/water (logP) [1, 2]. В течение многих лет logP использовался как мера липофильности/гидрофобности, где гидрофобность описывает способность к агрегации органических соединений в воде, а липофильность определена как мера межмолекулярных отношений между органическим веществом и растворителем. Липофильность главный физико-химический показатель, влияющий на бионакопление, проницаемость и часто на токсичность лекарств. Этот коэффициент обычно определяется количественно, как logP, и является важной молекулярной характеристикой в медицинской химии. Однако экспериментальное определение липофильности часто затруднено отсутствием достаточного количества реагента и его недостаточной чистотой, трудоемкостью и длительностью стандартной «Shake flask»

процедуры и поэтому проблеме, связанной с расчётом констант липофильности посвящены работы [3, 4, 5].

Цель данной работы заключается в изучении зависимости констант липофильности от структурных параметров N-арилзамещенных производных антраниловой кислоты рассчитанных методом Хартри-Фока в водной фазе.

Для изучения связи структуры с константами липофильности мы использовали из рассчитанных электронных параметров суммарные значения напряженности электрического поля (Е), потенциала () и абсолютной величины заряда (|q|) на атомах кислорода, азота, углерода На стыке наук. Физико-химическая серия. и гидрофобного фрагмента (Н). Структура гидрофобного фрагмента получена с помощью программы Ligand Scout 3,01. Квантово-химические параметры рассчитаны неэмпирическим методом Хартри – Фока в базисе 3-21G с полной оптимизацией геометрии молекул, с использованием программы Gaussian 03. Эффект растворителя учитывали проводя расчёты в модели PCM (Polarizable Continuum Model).

С целью установления корреляционной зависимости между константой липофильности и квантово-химическими параметрами был проведен множественный линейный регрессионный анализ, в ходе которого были использовано 5 переменных: N(E), О(), O(|q|), N() и Н (|q|), которые характеризуют электронные свойства. Всего было сгенерировано свыше 27 уравнений регрессии, из которых были отобраны 3 наиболее значимых уравнения.

Разработанные уравнения были использованы для расчёта значений logP 8 соединений общей формулы: 1–COR 1 –2–R 2 –5–R 3 –C 6 H 3, где R 1 = NHCH2CH=CH2, R2= NHCO(2-фурил), R3= H (I);

R1= NHCH2CH2OH, R2= NHCOCH2C6H5, R3= I (II);

R1= NHCH2CH2OH, R2= NHCO(2-фурил), R3= I (III);

R1= N(CH3)2, R2= NHCO(2-фурил), R3= I (IV);

R1= NHC6H4(4-Br), R2= NHCH2C6H5, R3= H (V);

R1= NHC6H4(4-Br), R2= N(COCH3)CH2C6H5, R3= H (VI);

R1= NHC6H4(4-CH3), R2= NHCH2C6H5, R3= H (VII);

R1= NHC6H4(4-CH3), R2= N(COCH3)CH2C6H5, R3= H (VIII).

Для проведения сравнительной оценки прогнозирования logP, с помощью полученных уравнений 1 – 3, вычислены значения средней квадратичной ошибки прогноза: S 1 = 1,04, S 2 = 1,24 и S 3 = 1,20.

Величина средней квадратичной ошибки свидетельствует о том, что использование уравнения №1, приводит к более высоким результатам расчёта logP (S1 = 1,04), в сравнении с уравнениями 2 и 3 (S2 = 1,24 и S = 1,20).

Проведенное исследование показало, что составленное уравнение вполне адекватно позволяет рассчитывать константы липофильности N арилзамещенных производных антраниловой кислоты, с учетом растворителя – вода и будет использовано в дальнейших исследованиях для прогнозирования констант липофильности вновь синтезированных соединений.

Литература 1. Abhishek K. Jain, Ravichandran Veerasamy, Ankur Vaidya, Medicinal Chemistry Research, 21(2), pp 145-151 (2012).

2. T.W. Schultz, Chem. Res. Toxicol., 12, p. 1262 (1999).

3. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М., Данилов Ю.Л., Вахрин М.И.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Изучение взаимосвязи «структура-свойство» констант липофильности N- алкилзамещенных производных антраниловой кислоты с квантово-химическими параметрами, рассчитанными неэмпирическим методом Хартри-Фока // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2;

URL:

http://www.science-education.ru/102-6083 (дата обращения: 26.04.2012).

4. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М., Данилов Ю.Л., Вахрин М.И., Визгунова О.Л. Зависимость константы распределения в системе октанол-вода от структурных параметров N-алкилзамещенных производных антраниловой кислоты, рассчитанных полуэмпирическими методами // Фундаментальные исследования, №7.

2012, Ч. 2. – С. 437 – 440.

5. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М., Данилов Ю.Л., Вахрин М.И. Оценка полуэмпирических методов расчёта структуры N-арилзамещенных производных антраниловой кислоты для прогнозирования коэффициента распределения октанол-вода // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2;

URL:

www.science-education.ru/102-6083 (дата обращения: 21.05.2012).

На стыке наук. Физико-химическая серия. ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРНЫМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ Артемкина Ю.М., Саркисян А.Э., Щербаков В.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева shcherb@muctr.ru Сверхвысокочастотные (СВЧ) технологии в настоящее время используются в различных секторах экономики, в том числе в авиационной, медицинской и биотехнологической промышленностях, атомной энергетике и освоении космоса. В результате воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона на твердые, жидкие или газообразные среды возможно ускорение технологических процессов и существенное сокращение затрат [1]. Эффективное использование СВЧ облучения в химии и в химической технологии тормозится отсутствием теоретических представлений, описывающих взаимодействие электромагнитного поля высокой частоты с веществом. В особенности это касается жидких растворов, в которых протекает значительное число химико-технологических процессов. В настоящей работе на основе фундаментальных теоретических представлений рассматривается взаимодействие СВЧ электромагнитного поля с водой и некоторыми другими полярными растворителями.

Поглощаемая веществом энергия электромагнитного поля прямо пропорциональна величине активной составляющей его высокочастотной (ВЧ) удельной электропроводности (ЭП) [2]. При этом, поглощаемая электрическая мощность Р связана с напряженностью электрического поля Е соотношением:

Р = Е2 = оЕ2.(1) В этом выражении Е – напряженность высокочастотного поля, – круговая частота, о – абсолютная диэлектрическая проницаемость (ДП) вакуума, - коэффициент диэлектрических потерь. Таким образом, чем больше ВЧ ЭП вещества, тем интенсивнее это вещество поглощает энергию СВЧ поля.

В практике СВЧ облучения при проведении процессов в полярных растворителях обычно выбирают частоту, отвечающую максимуму коэффициента диэлектрических потерь [2]. Однако, как показано в работе [3], максимальная активная проводимость и, следовательно, максимальная поглощаемая мощность СВЧ излучения не соответствуют На стыке наук. Физико-химическая серия. максимуму. Для иллюстрации этого утверждения рассмотрим зависимость активной ЭП полярного растворителя от частоты. В дипольной релаксационной области зависимость активной составляющей комплексной ЭП полярного растворителя от частоты описывается выражением [3]:

= ()2/[1+()2],(2) в котором величина – предельная ВЧ ЭП полярного растворителя.

Она определяется отношением статической диэлектрической проницаемости s к времени релаксации [4]:

=so/.(3) При повышении частоты электромагнитного поля происходит увеличение активной составляющей ВЧ ЭП, которая при условии 1 достигает своего предельного максимального значения, равного. Коэффициент диэлектрических потерь достигает своего максимального значения при условии = 1. В этом случае, уравнение (2) преобразуется к виду:

= /2.(4) Таким образом, при частоте, отвечающей максимуму коэффициента диэлектрических потерь, активная проводимость составляет лишь половину значения предельной ВЧ ЭП растворителя и, следовательно, выделяемая в веществе мощность будет составлять половину от максимально возможной.

Рассчитанные с использованием уравнения (3) и величин s и [5] значения некоторых полярных растворителей приведены в таблице.

Сопоставление приведенных в таблице значений показывает, что растворители с развитой системой водородных связей и, соответственно, с большими величинами s располагаются как в верхней (вода, формамид), так и в нижней (N-метилформамид, метанол) частях таблицы.

В то же время, при переходе от ацетона к бутанолу наблюдается тенденция значительного возрастания времени дипольной диэлектрической релаксации (увеличение почти в 150 раз), что и вызывает снижение величины предельной ВЧ ЭП. Таким образом, величина предельной ВЧ ЭП рассматриваемых полярных растворителей определяется, главным образом, подвижностью их молекул. СВЧ энергию электромагнитного поля при условии 1 более интенсивно будут поглощать вода и ацетон и слабее всего – спирты.

Приведенные в таблице значения предельной ВЧ ЭП полярных растворителей могут использоваться для оценки эффективности поглощения СВЧ электрической энергии полярными растворителями при условии 1.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Таблица 1. Статическая ДП s, время дипольной релаксации и предельная высокочастотная ЭП некоторых полярных растворителей;

t=25 оС Растворитель s, пс, См/м Вода 78,35 8,25 84, Ацетон 20,7 3,2 57, Формамид 109,5 36,9 26, Диметилформамид 37,1 13,1 25, Диметилацетамид 38,6 15,0 22, Диметилсульфоксид 47,1 19,4 21, Пропиленкарбонат 64,9 42,2 13, N-метилформамид 181 123 13, Метанол 32,6 50,2 5, Этанол 24,3 160 1, Пропанол 20,5 320 0, Бутанол 16,8 474 0, Для большинства рассматриваемых в данной работе полярных растворителей предельная ВЧ ЭП достигается при частотах электромагнитного поля, превышающих десятки ГГц. Исследовательская и промышленная аппаратура работает, как правило, на частоте МГц. В этой связи представляет интерес рассмотреть ВЧ ЭП полярных растворителей на этой частоте. Проведенные нами оценки показывают, что при температуре 25 оС и на частоте 2450 МГц только формамид, пропиленкарбонат и N-метилформамид существенно (в 3 – 7,5 раз) превосходят воду при их использовании в качестве растворителей в условиях воздействия СВЧ облучения при этой температуре.

В результате поглощения электромагнитного поля происходит активация реагирующих частиц, а также повышение температуры реакционной смеси. Второй эффект следует рассмотреть более детально, поскольку с ростом температуры изменяется ВЧ ЭП полярных растворителей [4,6]. Поскольку только для воды и спиртов получены надежные диэлектрические характеристики в широком интервале частот и температур, рассмотрим влияние температуры на ВЧ ЭП на примере этих полярных растворителей.

На рисунке приведены зависимости рассчитанной на частоте МГЦ ВЧ ЭП воды и спиртов от температуры. Необходимые для расчетов значения s и воды и спиртов взяты из работ [5, 7-10]. На этой частоте условие = 1 выполняется при значении времени диэлектрической На стыке наук. Физико-химическая серия. релаксации, равном 65 пс. В результате, в дипольную релаксационную область попадают все рассматриваемые спирты, для которых при низких температурах 1. При высоких температурах для спиртов 1.

Для воды лишь при низких температурах 1. При высоких температурах для воды выполняется неравенство 1, поэтому во всем рассматриваемом интервале температур (0 – 260 оС) ВЧ ЭП воды уменьшается при нагревании (рисунок).

В отличие от воды ВЧ ЭП спиртов при повышении температуры проходит через максимум (рисунок). При переходе от метанола к пропанолу полученный на частоте 2450 МГц максимум ВЧ ЭП смещается в сторону более высоких температур. В метаноле максимум наблюдается в области температур ~ 5–15 о С, в этаноле ~ 50–60, а в пропаноле – ~ 80–90 оС. Температурный максимум ВЧ ЭП был получен и для воды. Однако он наблюдается при частотах электромагнитного поля, превышающих 10 ГГц [11].

Как следует из приведенных на рисунке кривых, на частоте 2450 МГц при t 0 о С ВЧ ЭП метанола превышает воды. ВЧ ЭП этанола и пропанола превосходят воды при t 40 оС. Поэтому воздействие СВЧ поля при повышенных температурах будет более эффективным в растворах спиртов, чем в воде. Что касается воды, то наиболее эффективным воздействие СВЧ электромагнитного поля на частоте МГц будет наблюдаться при низких температурах. В метаноле процессы в условиях наложения СВЧ поля желательно проводить также при сравнительно невысоких температурах, в то время, как в этаноле и пропаноле наиболее интенсивно воздействие СВЧ поля будет наблюдаться при повышенных температурах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения 14.В37.21.0797 по мероприятию 1. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы и Государственного задания ВУЗам на 2013 год (проект № 3.4487.2012).

На стыке наук. Физико-химическая серия. Рис. 1. Зависимость высокочастотной электропроводности воды (1), метанола (2), этанола (3) и пропанола (4) от температуры;

частота 2450 МГц Литература 1. Бердоносов С.С., Бердоносова Д.Г., Знаменская И.В //Химическая технология. 2000. № 3. С. 2.

2. Нетушил А.В., Жуховицкий Б.Я., Кудин В.Н., Парини Е.П.

Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. –М.-Л.:

Госэнергоиздат. 1959.

3. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1994. Т. 30. C. 1367.

4. Щербаков В., Артемкина Ю., Ермаков В. Растворы электролитов.

Электропроводность растворов и диэлектрические свойства полярных растворителей. –М.: Palmarium Academic Publishing. 2012.

–125 c.

5. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей:

Справочник. –М.: Изд-во МАИ, 1999. –856 с.

6. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1998. Т. 34. C. 1349.

7. Hiejima Y., Kajihara Y., Kohno H., Yao M. //J. Phys.: Condens. Mater.

2001. V. 13. P. 10307.

8. Hiejima Y., Yao M. //J. Chem. Phys. 2003. V. 119. P. 7931.

9. Hoshina T., Tanaka K., Tsichihashi N., Ibuki K., Ueno M. //J. Chem. Phys.

2004. V. 121. P. 9517.

10. Takahata K., Hoshina T., Tsichihashi N., Ibuki K., Ueno M. //J. Chem.

Phys. 2010. V. 132. 114501;

doi: 10.1063/1.3353955.

11. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1997. Т. 33. C. 493.

На стыке наук. Физико-химическая серия. СТРУКТУРА АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗЫ КАК МОДЕЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ ПРИ ПОИСКЕ СПЕЦИФИЧНЫХ ИНГИБИТОРОВ БИОИНФОРМАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ Аюпов Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С.

Казанский (Приволжский) федеральный университет aurusta@mail.ru Ингибиторы блокируют работу фермента и таким образом оказывают необходимый лечебный эффект. Однако ингибитор может взаимодействовать и с другими биологическими молекулами, схожими по структуре блокируемого фермента, вызывая побочный эффект.

Поэтому очень важна разработка специфических ингибиторов, которые блокировали бы функцию только одного фермента. Для разработки методики создания специфических ингибиторов использовали модельный объект, фермент ацетилхолинэстеразу (АХЭ), имеющую жизненно важные функции, нарушения которых приводит к ряду серьезных заболеваний, в том числе нейродегенеративных. Поэтому АХЭ активно изучаются [1] и на данное время известны пространственные структуры АХЭ различных видов.

В данной работе анализируется возможность прогнозировать структуру специфичных ингибиторов, исходя из пространственных структур ферментов, и на основании этого детализируются методические подходы. Для анализа были использованы результаты исследования [2], где проводились измерения в структурах АХЭ мыши, взятых из PDB. Всего было сделано два типа расчетов для 40 ферментов АХЭ: 1) между атомами азота(N), находящимися в пептидных связях и 2) атомами кислорода(О), находящимися в боковых радикалах.

Эксперимент показал, что отличие структур основывается на различном положение боковых радикалов и совсем не значительно для пептидных групп. Существенные отличия, появляющиеся среди боковых радикалов, обусловлены их подвижностью. Вследствие этого нельзя использовать их в качестве маркера различия между АХЭ. И, следовательно, такой подход для поиска специфичных ингибиторов не приведет к нужному результату. Однако разберем детально объект исследования. Структуры ферментов в PDB были получены с помощью кристаллографии и рентгенограммы обрабатывались компьютерными программами [3]. В ходе этих работ нативная структура фермента претерпела определенные На стыке наук. Физико-химическая серия. изменения при кристаллизации. При интерпретации рентгенограмм всегда возможны определенные погрешности, и на последнем этапе, компьютерной обработке, происходит «доводка» полученной модели фермента [3], где чаще всего используется принцип гомологии с уже известными структурами. При этом отличия, если они будут найдены, скорее всего будут объяснены нарушениями в ходе эксперимента. В результате могут быть потеряны некоторые индивидуальные особенности ферментов АХЭ одного вида из разных органов и тканей.

С другой стороны, в исследовании [2] анализировались расстояния для трех аминокислотных остатков активного центра. Возможно, проведении измерений для большего количества аминокислотных остатков позволит выявить существенное структурное отличие одной АХЭ от другой, извлеченной из разных тканей одного вида. Следует отметить, что в анализируемой работе использовались структуры АХЭ мыши, для которых неизвестно, из каких органов или тканей были извлечены ферменты АХЭ, однако выявленные (хотя и незначительные) отличия могут быть следствием именно ткане-специфических различий АХЭ.

Близкородственным к АХЭ ферментом является бутирилхолинэстераза (БХЭ). БХЭ функциональный аналог АХЭ, обладает более широким спектром действия и менее специфична.

Следовательно, любой ингибитор для блокирования АХЭ будет так же взаимодействовать с БХЭ, но с другой степенью связывания. Очень важно при создании ингибиторов для АХЭ учитывать тот факт, что значение степени связывания с БХЭ должно быть как можно меньше, чтоб ингибитор слабее связывался с ним. Возможно, в этом случае придется создавать ингибиторы для АХЭ, исходя из различий в активном центре двух ферментов (или других значимых областей ферментов), но тогда есть вероятность снижения специфичности для конкретной АХЭ.

Кроме БХЭ ингибиторы могут взаимодействовать и с другими ферментами, которые располагаются "на пути" ингибитора, либо рядом с АХЭ. Данные ферменты могут иметь схожие с АХЭ участки «зацепления»

ингибитора. Изучение структур этих ферментов важно, так как позволит избежать некоторых побочных эффектов и снизить дозу лекарств.

В какой же последовательности проводить исследование?

Изначально надо выбрать фермент, чью функцию надо блокировать.

Далее, исходя из структурных особенностей фермента, сконструировать структуру ингибитора, особое внимание следует уделить активному центру и каналу, ведущему в активный центр с поверхности фермента.

Следующим шагом должен быть докинг ингибитора (или целого ряда На стыке наук. Физико-химическая серия. сконструированных ингибиторов) с ферментом. Для более точной картины взаимодействия необходимо провести молекулярную динамику ингибитора с ферментом, изучить структуры при пиковых значениях энергии. Это позволит выбрать из ряда ингибиторов тот, который наилучшим образом взаимодействует с ферментом. Следующим шагом должна быть проверка выбранного ингибитора на способность взаимодействовать с близкородственными ферментами. При этом надо учитывать те функциональные группы ингибитора, которые способствуют взаимодействию с другими ферментами, и модифицировать их так, чтобы не снизить степень сродства к блокируемому ферменту. На этом этапе с помощью различных модификаций будет подбираться структура радикальных групп ингибитора, которые позволят взаимодействовать ингибитору лишь с необходимым ферментом.

Литература 1. Silman, I., Sussman J.L. Acetylcholinesterase: ‘classical’ and ‘non-classical’ functions and pharmacology // Current Opinion in Pharmacology. – 2005. – v. 5. – p. 293–302.

2. Аюпов Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С.. Компьютерный анализ активных центров ацетилхолинэстераз мышей. IV Съезд биофизиков России. Симпозиум IV «Новые тенденции и методы в биофизике» год – стр 17.

3. М. Членов. Современные методы определения пространственной структуры белков // Молекулярная биология. – 2007 – кн.1 – стр.

202– На стыке наук. Физико-химическая серия. НОВАЯ ПАРАДИГМА МЕДИЦИНСКОЙ ХИМИИ – МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЛЕКАРСТВЕННЫЕ ПРЕПАРАТЫ Безуглов В.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А.

Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН) vvbez@ibch.

ru Основания медицинской химии были заложены Паулем Эрлихом, который первым предложил «использовать синтетическую химию, чтобы химически модифицировать стартовый материал в различных направлениях, и анализировать полученные продукты на их способность излечивать (болезни)». Он также сформулировал понятие «магической пули» – химической субстанции, которую можно использовать для уничтожения патогенного организма за счёт специфической аффинности к этому патогену [1]. Сегодня «магическая пуля» чаще всего рассматривается как лекарство без побочных эффектов, специфически направленное против конкретной болезни конкретного человека. Эта концепция базируется на философии «одно лекарство-одна мишень-одна болезнь». Эта философия получила наибольшее развитие в эру геномного проекта, когда конкретное патофизиологическое состояние стали ассоциировать с нарушениями работы единственного гена и с дисфункцией определённого белка. В соответствии с этой господствующей до сих пор парадигмой магистральным направлением медицинской химии остаётся достижение наибольшей специфичности лекарственного препарата. Принимая, что одна функция молекулы фармакологически активного вещества отвечает за взаимодействие с одной определенной мишенью (рецептор, фермент, регуляторный белок, липидный рафт и др.), монофункциональным следует считать соединение, предназначенное для воздействия на одну, строго определенную биологическую мишень. Соответственно, полифункциональные соединения способны взаимодействовать с двумя и более биологическими мишенями. Современные монофункциональные соединения конструируются с помощью методов компьютерного моделирования и молекулярного докинга для достижения наибольшего соответствия структуры действующего вещества и активного центра (ортостерического или алостерического) белковой молекулы.

На стыке наук. Физико-химическая серия. Предполагается, что подобные вещества будут высокоселективными с минимальными побочными эффектами. Наибольшего успеха препараты данного типа достигли в так называемой молекулярной хирургии и гораздо менее эффективны при молекулярной терапии.

Искусственное расчленение общего заболевания организма на частные диагнозы-симптомы вынуждает назначать пациенту значительное количество монофункциональных лекарств, которые часто приводят к обратному эффекту, а иногда – к смертельному исходу.

Организм человека представляет собой очень сложную систему, управляемую информационными сетями и потоками. Добавление каждого нового элемента к этой системе, в качестве которого может выступать лекарственный препарат, многократно увеличивает динамическую сложность системы. Происходит активное взаимодействие организма, как единого целого, и лекарства. Любое лекарство вмешивается в работу информационной сети организма, нарушая её функционирование. Чрезмерное воздействие на один из компонентов патологического процесса вызывает ответное стремление организма сохранить стабильность, поскольку болезнь есть способ приспособления к измененным внутренним и внешним условиям его жизнедеятельности. Воздействие организма на лекарство определяется состоянием его внутренней среды и, в частности, функционированием транспортной, рецепторной и метаболической систем. Результирующее воздействие будет определять фармакологический эффект препарата.

Созданные как монофункциональные лекарства, они, большей частью, воспринимаются организмом как ксенобиотики, и чтобы преодолеть сопротивление организма приходится существенно увеличивать дозу препарата. Следует отметить, что истинных монофункциональных лекарств не бывает, все они в той или иной степени мультифункциональны. Только длительное изучение фармакологических свойств лекарственного средства позволяет раскрыть дополнительные механизмы его активности. Примером могут служить нестероидные противовоспалительные препараты, второе поколение которых (после аспирина) конструировалось как ингибиторы циклооксигеназы (фермента, ответственного за синтез провоспалительных простагландинов). Оказалось, что кроме ингибирования циклооксигеназы ибупрофен и другие препараты этой группы ингибируют образование лейкотриенов и функцию лейкоцитов, ингибируют синтез цитокинов, некоторых факторов транскрипции, MAP-киназу, ядерные рецепторы, белки теплового шока, увеличивают внутриклеточное содержание эндоканнабиноида анандамида путём На стыке наук. Физико-химическая серия. ингибирования его гидролиза, снижают уровень экспрессии гена индуцибельной синтазы оксида азота и др. Таким образом, разработанные как монофункциональные эти препараты на деле оказались мультифункциональными, чем, по-видимому, и объясняется успешная история их клинического применения.

Существенные ограничения монофункциональных лекарств стали очевидны в последнее десятилетие, когда значительное количество таких препаратов было возвращено с рынка или клинические испытания которых были прекращены. Характерный пример – селективный ингибитор циклооксигеназы-2 рофекоксиб, предназначенный для борьбы с воспалением, был безопасен для желудочно-кишечного тракта, но вызывал серьезные осложнения сердечнососудистой системы со смертельными исходами [2]. В то же время достигнуто понимание сложности, многофакторности и системности хронических заболеваний (атеросклероз, нейродегенеративные, аутоиммунные и онкологические заболевания). Это способствовало осознанию необходимости замены парадигмы монофункциональных «магических пуль», воздействующих на одну конкретную мишень, парадигмой полифармакологии – одновременного воздействия на много мишеней. Такого воздействия можно достичь несколькими способами: а) одновременным приёмом нескольких монофункциональных препаратов, что широко практикуется сегодня и уже признаётся малоэффективным;

б) комбинацией двух препаратов в одной лекарственной форме – способ лишь частичного преодоления ограничений монофункциональных лекарств;

в) с помощью рационального дизайна мультифункциональных лекарственных препаратов по принципу «одно лекарство-много мишеней».

В простейшем случае для увеличения функциональности используют соединение в одной молекуле двух монофункциональных веществ с образованием так называемых бивалентных лигандов [3]. Более продуктивным оказывается создание гибридных мультифункциональных соединений. Такие вещества способны воздействовать на различные звенья патологического процесса, оказывая комплексное регулирующее воздействие. Мультифункциональность определяется не структурной сложностью молекулы, а количеством способов взаимодействия с организмом на всех уровнях его организации. Одни из наиболее мультифункциональных – самые простые молекулы газообразных биорегуляторов (называемых также газотрансмиттерами) – оксиды азота и углерода и сероводород. В физиологических концентрациях они взаимодействуют со многими мишенями в организме и оказывают положительное регулирующее воздействие. Неудивительно, что На стыке наук. Физико-химическая серия. фармакологический потенциал газотрансмиттеров был востребован медицинской химией. Наибольшее применение нашли доноры оксида азота (NO). Было синтезировано большое количество разнообразных гибридных NO-донорных препаратов (стероидных гормонов, антибиотиков, антиоксидантов, кардиопрепаратов, противовоспалительных и бронхолитических средств и др.). Введение в молекулу известного лекарства NO-генерирующего фрагмента придает «старому» препарату новые свойства за счет вовлечения в фармакологический эффект физиологических механизмов, активируемых NO, при одновременном восполнении недостаточности генерации окиси азота, сопровождающую многие патологические состояния. Это существенно увеличивает и расширяет фармакологический потенциал и эффективность лекарственного препарата. Возникает истинная многофункциональность гибридных молекул, получающих возможность комплексно воздействовать на несколько механизмов патологического процесса. Как правило, введение в молекулу лекарственного вещества донора NO позволяет снизить негативные побочные эффекты этого лекарства [4].

Наилучшая альтернатива «магической пуле» для лечения хронических заболеваний – мультифункциональное вещество, которое воздействует на различные звенья патологического процесса, восстанавливая нормальное функционирование организма на разных уровнях организации. Такие препараты могут быть разработаны в соответствии с предложенной нами концепцией «информационного лекарства». С информационной точки зрения, каждый биологический организм имеет мощный, хорошо структурированный, иерархический информационный каркас. Его функциональность обеспечивается постоянными потоками информационных молекул, состав и концентрация которых строго регулируется живой системой. Сбои в многоуровневой разветвленной информационной сети выражаются в недостатке или избытке сигнальных молекул. Лекарственное средство, построенное на основе эндогенных для данного организма сигнальных молекул и способное исправлять нарушения в системе регуляции, можно назвать «информационным» [5]. Любое химическое соединение с информационной точки зрения может рассматриваться как сложное сообщение (текст на универсальном языке), смысл которого распознаётся на уровне целого организма на основании синтеза частных смыслов, улавливаемых на более низких уровнях организации специфическими системами распознавания (рецепторы и другие эффекторные молекулы). Важно, чтобы в этом тексте не было На стыке наук. Физико-химическая серия. бесполезной информации, т.е. в структуре информационного лекарства не должно быть чужеродных для организма молекулярных фрагментов.

Это требование особенно актуально при создании комплексных информационных лекарств, в молекулах которых объединены структуры нескольких эндогенных сигнальных молекул, одной из них является липид. Именно соединения последнего типа, на наш взгляд, наиболее перспективны.

Работа частично поддержана грантом РФФИ (проект 12-04-00608) и программой Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине».

Литература 1. Strebhardt K., Ullrich A. Paul Ehrlich’s magic bullet concept: 100 years of progress. // Nature Rev. Cancer. — 2008. — V. 8. — P. 473–480.

2. Drews J. Case histories, magic bullets and the state of drug discovery. // Nat. Rev. Drug Discov. — 2006. — V. 5. — P. 635–640.

3. Lenhart J. A., Ling X., Gandhi R., Guo T. L., Gerk P. M., Brunzell D. H., Zhang S. “Clicked” Bivalent ligands containing curcumin and cholesterol as multifunctional Abeta oligomerization inhibitors: Design, synthesis, and biological characterization. // J. Med. Chem. — 2010. — V. 53. — P.

61986209.

4. Серков И.В., Безуглов В.В. Многофункциональные соединения, содержащие органические нитраты, – прототипы гибридных лекарственных препаратов. // Успехи химии. — 2009. — Т. 78. — С.

442–465.

5. Безуглов В.В., Коновалов С.С. в книге: Акимов М.Г., Безуглов В.В., Бобров М.Ю., Варфоломеева А.Т., Грецкая Н.М., Дятловицкая Э.В., Кисель М.А., Коновалов С.С., Сергеева М.Г. Липиды и рак. Очерки липидологии онкологического процесса. Под ред. В.В. Безуглова и С.С.

Коновалова// СПб.: ПраймЕВРОЗНАК, 2009. — С. 294–306.

На стыке наук. Физико-химическая серия. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕЗИОКРИСТАЛЛОСКОПИЧЕСКОГО МЕТОДА В ДИАГНОСТИКЕ АУТОИММУННОГО ТИРЕОИДИТА Бейникова И.В., Синтюрина А.В., Нургалиева А.С., Василечко С.В.

Карагандинский государственный медицинский университет irena9898@mail.ru Введение. В наше время аутоиммунный тиреоидит – одно из самых распространенных заболеваний щитовидной железы [1]. Нарушение деятельности щитовидной железы при данном заболевании оказывает влияние работу всех органов и систем организма, прежде всего на сердце, сердечно-сосудистую систему, костную систему, развивается остеопороз [2]. Аутоиммунный тиреоидит не является изолированным заболеванием. Как правило, аутоиммунный процесс затрагивает практически все органы и ткани и является проявлением нарушения иммунитета.

Результаты лечения напрямую зависят как от своевременно поставленного диагноза, так и от начала лечения на ранних стадиях болезни. При своевременно начатом и грамотно проведенном лечении прогноз заболевания благоприятный. При несвоевременной диагностике аутоиммунного тиреоидита может развиться гипотиреоз, лечение которого является более сложной задачей [3]. В связи со столь широким распространением и частотой встречаемости заболевания, особенно актуально встает вопрос выработки относительно простых в исполнении и применении методов диагностики аутоиммунного тиреоидита, которые не требуют дорогостоящих реактивов и оборудования, и могут быть проведены практически в любой лаборатории. Одним из таких методов является тезиокристаллоскопия [4].

Особенности кристаллизации плазмы крови человека, могут служить объективными показателями функционального состояния организма [5, 6].

Цель исследования: выявить возможность использования тезиокристаллоскопического метода для диагностики аутоиммунного тиреоидита.

Материалы и методы исследования. В эксперименте использовалась плазма крови 30 больных аутоиммунным тиреоидитом.

Кровь забиралась после подтверждения клинического диагноза, до начала проведения терапии. Тезиокристаллоскопическое исследование На стыке наук. Физико-химическая серия. проводилось методом клиновидной дегидратации с добавлением 0,9% раствора NaCl. На промытое и обезжиренное предметное стекло наносили каплю плазмы крови с растворенным в ней 0,9% раствором NaCl объемом 50 мкл. Каплю высушивали в обычных условиях при минимальной подвижности воздуха. Время высыхания до проведения исследования составляло 18 – 24 ч. [7]. Полученные фации сканировали на сканере CanoScanLine20 при разрешении 1200dpi и изучали в программе ACDSeePro5.

Результаты исследования. Тезиокристаллограммы плазмы крови практически здорового человека характеризуются наличием 3 зон:

краевой, промежуточной и центральной. Лучевая симметрия представлена равнорадиальным растрескиванием. Густота растрескивания в фации очень высокая. Количество конкреций в фации высокое. Краевая зона представлена тонкой полосой, состоящей из мелких отдельностей с конкрециями вытянутой овальной формы, увеличенных размеров. Промежуточная и центральная зоны состоят из отдельностей правильной тетраэдрической формы и четких папоротниковидных форм кристаллических структур с отсутствием выраженного центра кристаллизации. Конкреции в отдельностях круглой формы и мелких размеров.

Изучение тезиокристаллограмм плазмы крови больных показало (рис.1), что краевая очерченность фации полностью отсутствует.

Зональность почти не прослеживается: краевая зона выражена, но не имеет четких границ;

промежуточная зона практически не выражена, центральная зона отсутствует. Преобладающее положение занимает аморфная область. Лучевая симметрия полностью отсутствует из-за наличия аморфной области. Количество конкреций по всей фации очень низкое. Краевая зона представлена отдельностями полигональной формы и разного размера. Отдельности краевой зоны почти не содержат конкреций. Имеющиеся конкреции имеют атипичную форму в виде лепестков или брусьев, но разные размеры.

Все конкреции располагаются у края отдельности. Промежуточная зона представлена отдельностями, многие из которых не имеют своей завершенности из-за наличия на большей площади промежуточной зоны аморфной области и патологических особенностей. Центральная зона полностью занята аморфной областью. На границе с большей частью краевой зоны аморфная область зачастую содержит широкую полосу патологических образований в виде «черной сети» и в виде спирали, с преимущественным числом нитевидных извитых трещин.

Такие изменения тезиокристаллографической картины могут На стыке наук. Физико-химическая серия. объясняться предположительно сопутствующими аутоиммунному тиреоидиту гипоальбуминемией и гипоглобулинемией, что приводит к нарушению в структуре краевой и промежуточной зон. В свою очередь, гиперхолестеринемия и увеличение количества липопротеинов способствуют разрастанию аморфной области в центральной зоне.

Таким образом, нами выявлены закономерные изменения формы, размеров, степени формирования кристаллов, очевидно вызванные изменением химического состава плазмы крови в условиях исследуемой патологии, что может быть в дальнейшем апробировано во врачебной практике в качестве метода дифференциальной диагностики аутоиммунного тиреоидита.

Рис. 1. тезиокристаллограмма плазмы крови больных Литература На стыке наук. Физико-химическая серия. 1. Knudsen N., Jorgensen T., Rasmussen S et al. The prevalence of thyroid disfunction in a population with a borderline iodine deficiency // Clinical Endocrinology – 1999.- Vol.51. – P. 361-367.

2. Валеева Ф.В., Киселева Т.А., Ахунова Г.Р. Проблемы взаимосвязи патологии щитовидной железы и ревматологических заболеваний // Сибирский журнал.- 2011. - Т.26, №4. – Вып.2 – С. 22- 28.

3. Насонов Е.Л. Современные направления иммунологических исследований при хронических воспалительных и аутоиммунных заболеваниях человека // Терапевтический архим.- 2001. – Т. 73, №8. – С. 43-46.

4. Максимов С.А. Морфология твердой фазы биологических жидкостей как метода диагностики в медицине // Бюллетень сибирской медицины. – 2007. - №4. – С. 80-85.

5. Курбатова, Л. А. Кристаллизация в биологических средах и ее применение в медицине // Автореф. на соискание уч. степени.к.х.н. – Тверь. – 1995. - 18 С.

6. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. Морфология биологических жидкостей в клинической лабораторной диагностике // Клин.лабораторная диагностика -2002.- №3.- С.25-32.

7. Матрусевич А.К. и др. Условия кристаллизации как один из факторов, влияющих на результат тезиокристаллографического теста // Сб.

работ 68 науч. сессии КГМУ и отдел.медико-биол. наук Центрально-Черноземного НЦ РАМН. – Курск: КГМ 2002. – Ч.1. – С. 43.

На стыке наук. Физико-химическая серия. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ИЗИНГОВСКИХ СИСТЕМ Белим С.В., Коваль Т.А.

Омский государственный университет им. Ф.М.Достоевского kotanek13@gmail.com Критическое поведение модели Изинга принято рассматривать в бесконечных системах, предполагая, что реальные системы достаточно велики, чтобы характеризоваться близкими значениями критических индексов. Однако плоская свободная поверхность может вносить существенные поправки в режим критического поведения. В частности наблюдается явление поверхностного магнетизма, при котором упорядочение спинов на поверхности происходит при температуре, отличной от объемного упорядочения [1, 2, 3, 4].

H=JBB SiSj+ JSS SiSj.

Здесь Si - значения спина в соответствующем узле (+1/2 или -1/2). Все суммирования производятся только по ближайшим соседям. В первом слагаемом суммирование производится по всем спинам, кроме находящихся на поверхности, во втором - только по спинам на поверхности. Величина обменного взаимодействия, описывающего поверхностные спины отличается от объемного обменного интеграла в силу особых условий, в которых находится слой свободной поверхности.

Как хорошо известно, обменный интеграл экспоненциально убывает с расстоянием и считается постоянным в силу малого изменения расстояния между узлами решетки. В случае поверхностных спинов расстояние между ними может отличаться от расстояний между спинами внутри системы, что приводит к другому значению обменных интегралов. Величина отношения поверхностных обменных интегралов к объемным зависит как от состава вещества, так и внешних условий. Для удобства введено отношение обменных интегралов R = JS=JB.

Исследование системы осуществлялось методом Монте-Карло с помощью алгоритма Метрополиса. Изучались трехмерные системы с кубической решеткой линейных размеров L*L*L. Для наблюдения за поведением теплоемкости и восприимчивости в зависимости от температуры были использованы флуктуационные соотношения [5]:


C = (NK2)(U2 -U2), = (NK)(m2 -m2), На стыке наук. Физико-химическая серия. где K = |JB|/kBT, N = L3 – число узлов, U – внутренняя энергия, m – намагниченность системы, угловые скобки означают термодинамическое усреднение.

Критическая температура перехода определялась с помощью кумулянтов Биндера четвертого порядка [6]:

UL = 1 - m4/ (3 m22) В рамках компьютерного эксперимента были исследованы системы с линейными размерами от L=8 до L=40 с шагом 8. Компьютерный эксперимент показал, что при отношении обменных интегралов JS/JB0. поверхностное упорядочение происходит при более низкой температуре, чем объемное. В интервале 0.9J S /J B 1.5 температуры объемного и поверхностного упорядочения совпадают, при 1.5JS/JB упорядочение на поверхности происходит раньше чем в объеме. Таким образом на фазовой диаграмме системы наблюдается четыре фазы, и пять видов фазовых переходов. Также на фазовой диаграмме присутствует две трикритических точки.

Таким образом впервые на основе компьютерного эксперимента изучен безповерхностный фазовый переход, наблюдавшийся ранее в реальном эксперименте. Также впервые выявлена вторая трикритическая точка.

Литература 1. А. С. Камзин, Л. А. Григорьев, Письма в ЖЭТФ 57, 538 (1993).

2. А. С. Камзин, Л. А. Григорьев, ЖЭТФ 105, 377 (1994).

3. А. С. Камзин, Л. А. Григорьев, ФТТ 37, 1, 66 (1995).

4. А. С. Камзин, В. Л. Розенбаум, ФТТ 41, 3, 468 (1999).

5. P. Peczac, A. M. Ferrenberg, D.P. Landau, Phys. Rev. B43, 6087 (1991).

6. R. Binder, Phys. Rev. Lett. 47, 693 (1981).

На стыке наук. Физико-химическая серия. "СЕРДЕЧНЫЕ" ВОЗМОЖНОСТИ БРОУНОВСКОГО ДВИЖЕНИЯ Бобыренко Ю.Я.

ГОУ ВПО Челябинский педагогический университет bobirenko07@mail.ru Период колебаний и величина амплитуды являются обычными характеристиками колебательных реакций. Наблюдения показывают, что продолжительность периода в реакции Белоусова-Жаботинского не всегда является постоянной величиной. В одном и том же опыте от колебания к колебанию она может иметь разные значения, несколько отличающиеся от средней величины.

Математические модели в виде Орегонатора, Иуатора и др. таких особенностей не описывают. Однако они указывают на возможную причину их появления. Колебаниям концентраций подвержены сразу несколько промежуточных веществ. Концентрация одних колеблется в диапазоне 10-6 – 10-3 М, концентрация других - в диапазоне 10-8 – 10-14 М.

Вторые колебания не фиксируются обычными датчиками.

Малость концентраций вторых веществ, наряду с малостью размеров реакционных зон, открывают возможности дополнительных колебаний их концентраций за счет вмешательства броуновского движения. Размах последних колебаний усиливается с уменьшением средней концентрации вещества по известному закону: Dn/n = 1/(n)^0.5, где Dn – есть отклонение числа частиц в рассматриваемой зоне от среднего значения числа частиц n в этой зоне, в знаменателе дроби после знака равенства– корень квадратный из числа частиц n.

Расчеты показывают, что введение в модель Орегонатора высокочастотного мало амплитудного колебательного процесса, захватывающего только вещества с малыми концентрациями, приводит к непостоянству величины периода колебаний более концентрированных участников процесса.

Так как многие исследователи усматривают аналогию между реакциями Белоусова-Жаботинского и сердечными колебаниями, то, очевидно, что в случае сердечных колебаний при малых по объему зонах водителей ритма и при малых концентрациях веществ, связанных с живым колебательным процессом, период сердечных колебаний также может не иметь строгого постоянства по своей продолжительности.

Ненормальное сокращение объема пейсмекерной зоны, вызванное теми На стыке наук. Физико-химическая серия. или иными физиологическими причинами, уменьшение концентраций активных для колебаний веществ в крови может существенно расширить разброс величин продолжительности колебательного периода. При нарастании разброса не исключен срыв колебаний с печальными последствиями для живого организма.

Регулярный контроль средне-квадратичных отклонений периода колебаний от среднего значения может служить первичным признаком дестабилизации состояния сердечной системы.

На стыке наук. Физико-химическая серия. КИНЕТИКА МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫХ РЕАКЦИЙ В ПОЛОСТЯХ Борисова Н. Л.

Московский Государственный Горный Университет nbolo@yandex.ru Изучение реакций активных центров в полостях представляет интерес для различных физико-химических процессов, таких как реакции в порах, тушение флуоресценции, полимеризация, захват свободных радикалов, рекомбинация дефектов и др. При изучении кинетики процессов в полостях подходит модель реакции исчезновения диффундирующих частиц сорта А в среде, содержащей случайно распределенные статичные ловушки сорта В. Реакция происходит при встрече двух частиц и описывается схемой А+ВВ. Это классическая задача кинетики диффузионно-контролируемых реакций [1], но к настоящему времени выявлено, что кинетические закономерности, диктуемые законом действующих масс практически всегда нарушаются [2]. Можно выделить два источника нарушений: первый источник – влияние на кинетику реакции корреляций в положении частиц [1],[2] и флуктуаций плотности ловушек;

второй источник - влияние размеров системы на скорость реакции [3].

Отклонение от классических закономерностей может быть связано с вероятностью наличия в системе ловушек пустот большого объема [3],[4]. Для учета данного факта в [4] рассматривается задача о поглощении частиц в сферической полости с отражающими границами, в центре которой находится поглощающая ловушка (полость Хэма).

Такая задача приводит к классической экспоненциальной кинетике на больших временах. Кроме того, на временах, много больших времени выхода на классическую кинетику, убыль частиц определяется поглощением в полостях с поглощающими границами. Можно показать, что эти две задачи связаны между собой.

В качестве основной конфигурации рассмотрена полость с поглощающей границей.

Для этого решается трехмерное уравнение диффузии для поглощающей поверхности сферы радиуса R и поглощающего стока радиуса a, помещенного в начало координат с постоянной начальной концентрацией C0.

В результате решения можно сделать вывод, что задача о На стыке наук. Физико-химическая серия. поглощении в полости с поглощающей границей эквивалентна задаче о поглощении в полости с отражающей границей, содержащей поглощающий центр.

Причем, при анализе полученного решения видно, что при больших временах использование полостей с отражающими границами предпочтительней, потому что в этом случае средняя концентрация описывается классической экспонентой, в то время, как решение для полости с поглощающей границей таким свойством не обладает.

Также представляет интерес анализ константы скорости. Анализ показывает, что учет конечного размера системы приводит к появлению зависимости константы скорости от размеров системы. Исследование этой зависимости позволяет выделить новые временные стадии реакции.

Если нестационарность константы скорости по Смолуховскому проявляется лишь на временах t a = a2 / D [1], то при учете конечного размера системы её поведение оказывается более сложным.

В этом случае на малых временах можно ввести новое характерное время 1: 1 = /(4 ln (2R/a)), =R2 / D.

Выражение для константы Смолуховского справедливо на временах t 1, причем величина константы скорости стремится “сверху” к стационарному значению и само стационарное значение достигается на временах a t 1. При учете конечного размера системы на временах t значение константы скорости проходит через минимум. Далее, при увеличении времени величина константы скорости стремится “снизу” к стационарному значению.

Литература 1. Овчинников А.А., Тимашев С.Ф., Белый А.А. Кинетика диффузионно-контролируемых химических процессов. – М.: Химия, 1986, c. 2. Gillespie D., T., Lampoudi S., Petzold L., R., J.Chem Phys., 2007, 126., p.

3. Grassberger P, Procaccia I., J.Chem Phys., 1982, 77, p. 4. Ham F. S., J.Chem Phys.Solids,1958, 6, p. 335.

На стыке наук. Физико-химическая серия. РОЛЬ ВОДОРОДА В ФОРМИРОВАНИИ СПЕКТРОВ XANES В НАНОЧАСТИЦАХ ПАЛЛАДИЯ Бугаев А. Л., Срабионян В. В., Бугаев Л. А., Солдатов А. В.

Южный федеральный университет arambugaev@gmail.com Системы водород-металл и, в частности, водород-палладий привлекают интерес ученых уже многие десятилетия. В данной работе анализируются возможные местоположения и характер поведения атомов водорода в объеме металлических наночастиц палладия по данным XAS-спектроскопии в наночастицах палладия различных размеров полученных группой проф. Ван Бокховена [1]. Проведен анализ спектров EXAFS для наночастиц до наводораживания, исходя из которых сделан вывод об их структуре, аналогичной кристаллическому палладию.

Прямые расчеты для околопороговой области (XANES) оказались чувствительными к наличию водорода и показали, что модель, в которой водород занимает октаэдрические позиции, принятая в статьях по данной тематике не пригодна для описания экспериментальных спектров поглощения. Для K-спектров наблюдается рост отношения интенсивностей первых краевых максимумов линейный по количеству внедренных атомов водорода в первой координационной сфере, не характерный для эксперимента, а также изменения в предкраевых особенностях, выраженные более ярко, чем в эксперименте. Такое несоответствие объясняется необходимостью учета делокализованности и миграции водорода в решетке палладия. По данным L-спектров, сделан также вывод о пренебрежимо малом размерном эффекте.

Построено две модели: переход водорода по траектории октаэдр-тетраэдр, который предполагается более вероятным, и переход между соседними междоузлиями одного типа, которому соответствует больший потенциальный барьер. Для первой модели исходя из соответствия отношения интенсивностей краевых максимумов экспериментальному оценены относительные времена пребывания водорода в различных позициях. Для второй модели отмечен нелинейное по количеству водорода падение интенсивности первого пика, которое, однако, может наблюдаться лишь при наличии нескольких переходов такого типа в первой координационной сфере одного атома палладия.


Выявлен линейный рост относительной интенсивности первого На стыке наук. Физико-химическая серия. максимума по количеству водорода при концентрациях водорода до 60%, а также нелинейный характер при более высоких концентрациях.

Проведены расчеты спектров поглощения при миграции атома водорода из одного междоузлия в другое, при этом наименьшая относительная интенсивность первого краевого максимума достигается при расположении водорода в седловой точке.

Таким образом показано, что спектры XANES должны зависить не только от межатомных расстояний в наночастицах палладия, но и от концентрации и подвижности атомов водорода.

Литература 1. Tew M W, Miller J T, and van Bokhoven J A 2009 The Journal of Physical Chemistry C 113 15140.

На стыке наук. Физико-химическая серия. ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ПЛЕНОК SiO С НАНОЧАСТИЦАМИ СЕЛЕНА Бызов А.В., Петров А.Ю., Полякова К.А., Бунтов Е.А., Зацепин А.Ф.

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина a.v.byzov@mail.ru Благодаря эффектам квантово-размерного ограничения наноразмерные кластеры приобретают необычные оптические и электронные свойства. В связи с возможностями создания и практического применения новых функциональных наноматериалов и наноструктур представляют интерес исследования комплекса люминесцентных свойств диэлектрических матриц с полупроводниковыми квантовыми точками, получаемыми методами ионно-лучевого синтеза [1]. В настоящей работе исследовались аморфные тонкие пленки SiO 2, имплантированные ионами селена, обладающие видимой люминесценцией в области спектра 2-3.5 эВ при возбуждении УФ и ВУФ излучением.

В качестве образцов использовались аморфные слои SiO2, 500 нм, термически выращенные во влажной атмосфере при 1100 С на подложке из кристаллического кремния. Образцы были подвергнуты имплантации ионами Se+ с энергией 330 кэВ, и дозой 51016см-2. После имплантации был проведен термический отжиг при температуре T = С в течение 1 ч в атмосфере сухого азота.

Пленки SiO2:Se+ после имплантации демонстрируют интенсивные полосы фотолюминесценции (ФЛ) в зеленой и фиолетовой области спектра. Ионно-имплантированные и однократно отожженные образцы SiO2:Se+ показывают аналогичные наборы полос ФЛ в 1,5 - 3,8 эВ области.

Свечение в области 1,8 эВ может быть приписано нанокластерам селена [2]. Наиболее выраженными максимумами для имплантированных образцов являются полосы люминесценции 2,5 эВ (зеленая область) и 3, эВ (фиолетовая область). Фиолетовая полоса демонстрирует слабо выраженную тонкую структуру, характерную для электронно-колебательных состояний центров свечения.

Наблюдаемые полосы ФЛ зеленого излучения регистрируются только после имплантации и термической обработки с образованием наночастиц. Спектр возбуждения зеленой полосы содержит, по меньшей На стыке наук. Физико-химическая серия. мере, три частично разрешенных пика при 9,5 эВ, 10,4 эВ и 12 эВ, которые расположены в спектральном диапазоне поглощения экситонов SiO 2. Учитывая присутствие наноразмерных частиц и структурные особенности вмещающей матрицы, можно предполагать, что в формировании люминесцентных характеристик исследуемых объектов важную роль играют также дефекты на границе раздела «нанокластер Se-SiO 2 ».Возбуждение в области 4-7 эВ через низкоэнергетические состояния матрицы SiO2 является наиболее эффективным для полосы 3, эВ, что указывает на ее дефектную природу [3]. Влияние отжига в атмосфере воздуха на параметры фиолетовой люминесценции указывает на ее связь с кислородно-дефицитными центрами (ODC).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что зеленые и фиолетовые полосы ФЛ являются следствием изменения структуры матрицы SiO 2 в процессе формирования Se-нанокластеров. Зеленая полоса имеет сложный состав и эффективно возбуждается через ВУФ пики ФЛ возбуждения, связанные с экситонами диоксида кремния.

Фиолетовая полоса относится к триплетному переходу ODC, связанных с селеном.

Литература 1. Godefroo, S.;

Hayne, M.;

Jivanescu, M.;

Stesmans, A.;

Zacharias, M.;

Lebedev, O. I.;

Tendeloo, G. V.;

Moshchalkov, V. V. Nat. Nanotechnol.

2008, 3, 174.

2. Ueda, A., Wua, M., Aga R. et al. Surface & Coatings Technology 201 (2007) 8542–8546.

3. Zatsepin, A.F., Buntov, E.A., Kortov, V.S. et al. J. Phys.: Condens. Matter 24 (2012) 045301.

На стыке наук. Физико-химическая серия. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОШКОВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ В ГИГАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ Вагнер Д. В., Доценко О. А., Кочеткова О. А.

Национальный исследовательский Томский государственный университет vagner1507@mail.ru В данной статье представлены результаты измерения диэлектрических характеристик порошков сегнетоэлектриков в гигагерцовом диапазоне. Комплексная диэлектрическая проницаемость порошков сегнетоэлектриков была измерена. При уменьшении размеров частиц наблюдается частотная зависимость диэлектрической проницаемости.

This paper focuses on the results of the dielectric characteristics measurements of the powder ferroelectrics in GHz region. The complex permittivity of ferroelectrics powders in high frequency was measured.

Particle size reduction leads to frequency dependence dielectric permittivity.

Сегнетоэлектриками называют вещества, которые обладают в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, то есть поляризованностью в условиях отсутствия внешнего электрического поля. Данные материалы находят применение в различных направлениях современной науки, важнейшими из которых следует считать: изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;

использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;

использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;

использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;

изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей. [1, 2] Одно из самых важных направлений – это использование сегнетоэлектриков при изготовлении радиоматериалов для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Известно, что вещества, обладающие спонтанной поляризацией, имеют большие значения комплексной диэлектрической проницаемости. При измельчении сегнетоэлектриков снижаются величины данных характеристик, но На стыке наук. Физико-химическая серия. использование его в виде порошка приводит к возможности смешивания с различными веществами для получения материалов с новыми свойствами.

В данной работе проводилось исследование порошков сегнетоэлектриков цирконата титаната свинца (ЦТС) с химической формулой Pb(ZrxTi1-x)O3.

Цель данной работы – измерение динамических характеристик (спектров диэлектрической (ДП) проницаемости) порошков сегнетоэлектриков.

Измерения частотных зависимостей комплексных значений ДП проведены резонаторным методом на установке, содержащей векторный анализатор цепей Agilent Teсhnologies E8363B и набор объемных многомодовых прямоугольных резонаторов, перекрывающих частотный диапазон 3 – 13 ГГц. Измерительные ячейки построены из волноводов различного сечения и связаны с микроволновым трактом индуктивными диафрагмами. Измерения проводились при температуре окружающего воздуха 22 ± 1 °С.

Экспериментальные образцы приготовлены следующим образом.

Твердые образцы сегнетоэлектрической керамики измельчались в ступке. Затем материал просеивали через набор сит. В результате было получено 3 образца порошков с микрометровыми размерами частиц. Для помещения порошков внутрь резонатора использовалась тонкостенная кварцевая трубка с внутренним диаметром ~ 1,5 – 2 мм.

Для уменьшения погрешности вычислений диэлектрической проницаемости полагали, что невозмущенной системой является резонатор с помещенной в него пустой кварцевой трубкой. Результаты измерений приведены на рисунке 1.

Из рисунка 1 видно, что порошок сегнетоэлектрика с размерами частиц 125-400 мкм (кривая 1) имеет значение действительной части диэлектрической проницаемости =13 отн.ед.;

100–125 мкм (кривая 2) – =6,5 отн.ед.;

менее 100 мкм (кривая 3) – =24–27 отн.ед. Мнимая часть диэлектрической проницаемости у всех исследуемых образцов =0,3 отн.ед. У сплошного материала данные величины были равны =2150 отн.ед., =6,9 отн.ед.

Также вид, ночто появилась частотная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости у порошка с размерами частиц менее 100 мкм. Можно предположить, что при дальнейшем измельчении данная зависимость будет более выражена.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 12-02-31668 мол_а и программы У.М.Н.И.К. по теме «Разработка функциональных На стыке наук. Физико-химическая серия. радиоматериалов для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств»

Рис. 1. Спектры диэлектрической проницаемости Литература 1. http://www.ngpedia.ru/id587406p2.html 2. http://oykumena.org/vy-dyshite-–-batarejki-zaryazhayutsya/ На стыке наук. Физико-химическая серия. ГРУНТОВЫЕ КРИОГЕЛЕВЫЕ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛОТИН В СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНО-КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ.

Васильев Н.К., Иванов А.А.

ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

nicolaivasiliev@yahoo.com В районах северной строительной климатической зоны (ССКЗ) в плотинах талого и мерзлого типов возникают большие трудности при укладке глинистых противофильтрационных элементов (ПФЭ). Они заключаются в отсутствии грунта необходимого качества поблизости от створа плотины, а также невозможности или высокой трудоемкости производства работ в зимнее время. Кроме того, при эксплуатации плотин талого типа в ССКЗ часто возникают трещины, связанные с «зависанием» примерзшего к устоям грунта над оттаявшей частью плотины, по которым открываются пути сосредоточенной фильтрации.

То же может произойти и в плотинах мерзлого типа в береговых примыканиях или при отказе замораживающих колонок. Такая фильтрация приводит к опасным суффозионным процессам. Также большие проблемы возникают при землетрясениях.

Для создания ПФЭ, особенно их верхней части, предлагается использовать грунтово-криогелевые композиты на основе водорастворимого полимера- поливинилового спирта (ПВС). В работе приводятся данные по испытанию композитов, полученных на основе ПВС с использованием различных добавок для модифицирования полимера. В качестве дисперсного заполнителя предлагается использовать песок или золу.

Криогелевые композиты, возникающие в процессе замораживания-оттаивания смеси раствора ПВС и грунта, обладают высокими прочностными, противофильтрационными, трещиностойкими и теплоизоляционными качествами. В замороженном состоянии льдокомпозиты проявляют чрезвычайно высокие прочностные (в том числе и на растяжение) свойства и не разрушаются даже при значительных деформациях. В случае разрушения они самозалечиваются. Оттаявшие криогелевые композиты сохраняют свойства твердого тела и имеют прочность значительно выше, чем грунтовый заполнитель. Они также не разрушаются при больших На стыке наук. Физико-химическая серия. деформациях, самозалечиваются и улучшают свои свойства с количеством циклов замораживания-оттаивания. Образование геля может происходить не только в результате замораживания-оттаивания, но также с течением времени.

Литература 1. Васильев Н.К., Шаталина И.Н. Методы армирования льда для создания ледяных и льдогрунтовых композитов. Известия ВНИИГ им.

Б.Е. Веденеева, т. 264, 2011, с. 119- 2. Vasiliev N. K., Ivanov A.A., Sokurov V.V., Shatalina I. N., Vasilyev K. N.

Strength properties of ice-soil composites created by method of cryotropic gel formation. Cold Regions Science and Technology. 2012. v. 70, p.94- На стыке наук. Физико-химическая серия. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХЧАСТИЧНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ В НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ Галимзянов Б.Н., Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В.

Казанский (Приволжский) федеральный университет khrm@mail.ru Введение. Разработка более эффективных методов анализа структурно-динамических свойств неупорядоченного конденсированного состояния является одной из основных задач современной теоретической физики [1, 2]. Традиционные методы структурного анализа - например, такие как радиальная функция распределения и среднеквадратичного смещения атомов или молекул, не дают полного представления о многочастичных корреляциях, возникающих в конденсированных средах. При этом, учет этих корреляций позволяет исследовать структуру не только простых однокомпонентных веществ, но и описывать сложные межмолекулярные связи в воде, полимерах, белках, а также в квазикристаллических структурах.

В настоящей работе, решение данной проблемы осуществляется с помощью, так называемого трехчастичного анализа. Данный подход позволяет исследовать структуру кристаллического, квазикристаллического, аморфного и жидкого вещества посредством анализа взаимного расположения трех, случайно выбранных частиц (атомов, молекул или ионов).

Методы исследования. С целью исследования трехчастичных корреляций нами была введена новая величина – площадь триплета Str, которая определяется координаты трех частиц, образующих вершины условного треугольника. Величина S tr меняется в зависимости от взаимной ориентации вершин образуемого триплета и может быть определена через формулу Герона Str = [ p (p – l(12)) (p - l(23)) (p - l(31))]1/2, (1) где p = (l(12) + l(23) + l(31)) / 2 – полупериметр i-го триплета (i = 1..NT, NT количество триплетов), l(12), l(23), l(31) - расстояние между вершинами i-го триплета (длина сторон треугольника образованного тремя частицами).

Стоит отметить, что количество триплетов варьируется в широком На стыке наук. Физико-химическая серия. диапазоне в зависимости от необходимой статистики и точности расчетов. Кроме того, вершины триплетов можно выбирать в случайном порядке в зависимости от цели и задачи исследований. Например в качестве вершины можно рассматривать частицы разного или одного и того же сорта.

При определении площади S tr необходимо учитывать следующие условия:

1. Очевидно что, площадь триплета S tr может принимать лишь неотрицательные значения;

2. Триплеты могут быть независимыми друг от друга (не имеют общих вершин) или связаны между собой (могут иметь от одного да двух общих вершин);

3. Одному и тому же значению Str может соответствовать несколько комбинаций вершин триплета.

Трехчастичная корреляционная функция распределения триплетов. В классическом случае, корреляции между двумя произвольными атомами или молекулами могут быть описаны с помощью радиальной функцией распределения частиц g(r) [1], которая имеет вид g(r) = V / (4r2N2) i=1..N ni(r) / r, (2) где V - объем системы с числом частиц N, r – радиус условной сферы с толщиной слоя r, которая содержит ni(r) частиц.

По аналогии с g(r) можно ввести трехчастичную корреляционную функцию, приняв во внимание следующие условия:

= N / V tr = 2NT / 4rc3, (3) n(r) n(S), S = r2, (4) g(r) g(S, rc). (5) В результате трехчастичная корреляционная функция распределения триплетов будет иметь следующий вид g(S, rc) = rc3 /(3SNT) i ni(S) / r. (6) На стыке наук. Физико-химическая серия. Здесь tr - концентрация триплетов находящихся внутри сферы радиусом rc, S - площадь условной окружности, ni(S) - распределение триплетов со значением площади S. Значение радиуса rc = 2.5 (где – диаметр частицы), соответствующего расстоянию до второй координационной сферы, является наиболее оптимальным для исследования трехчастичных связей. При расчете g(S, rc) виртуальная площадь S сопоставляется с площадью i-го триплета (i = 1..N T, N T, количество всех возможных триплетов на дистанции r c ). Следует отметить, что во время расчета g(S, r c ) положение одной из вершин триплета остается фиксированным.

Таким образом, при определении g(S, r c ) необходимо учитывать следующие условия:

1. Рассматриваются лишь те триплеты, которые расположены внутри воображаемой сферы радиусом rc;

2. Внутри данной сферы строится виртуальная окружность с площадью S;

3. Площадь данной окружности постепенно увеличивается и сопоставляется с аналогичной площадью триплета, где в итоге вычисляется распределение ni(S);

4. Полупериметр должен быть всегда больше длин сторон триплета (p l(12), p l(23) и p l(31)).

По аналогии со среднеквадратичным смещением частиц нами была введена величина среднеквадратичного отклонения площадей триплетов, которая определяется на основе выражения |Str(t)|2 = NT-1|Str(t) - Str(0)|2, (7) где Str(0) и Str(t) – площадь триплета в начальный и конечный момент времени t. Скобки.. означают усреднение по триплетам. В данном случае вместо разности координат частиц используется разность площадей Str(t), динамика изменения которой зависит от подвижности вершин триплета. Таким образом, данный факт позволяет использовать выражение (7) для изучения структурно-динамических свойств исследуемого вещества.

Детали моделирования. Исследование трехчастичных корреляций осуществлялось на основе методов моделирования равновесной молекулярной динамики. Микрочастичная динамики была выполнена через алгоритм Верле [3] с временным шагом t = 0.19fs. При этом температура системы удерживалась методом масштабирования координат частиц [4]. Исследуемое вещество, состоящее из N = На стыке наук. Физико-химическая серия. частиц, находилось в кубической ячейке размером Lx,y,z = 25.4. При этом силы межатомного взаимодействия были рассчитаны через EAM-потенциал [5, 6, 7, 8]. В данной работе, в качестве объекта исследований использовался жидкий и аморфный алюминий при различной температуре и при постоянной численной плотности = 0.0527 -3.

Результаты исследований. На рис. 1 представлена временная зависимость площади триплета Str(t). Так, для жидкого алюминия при температуре T = 1000К площадь отдельного, произвольно выбранного триплета осциллирует в диапазоне S tr [25;

100]10 -2 nm 2. Данное поведение связано с высокой подвижностью частиц и слабыми межатомными связями. Кроме того, аналогичные результаты были получены для воды при комнатной температуре, но с более ярко выраженными колебаниями величины Str, поведение которой прежде всего, связано с сравнительно низкой плотностью и координационным числом молекул воды [3, 9].

Для неупорядоченного аморфного алюминия при температуре T = 100К (рис. 2) изменение площади происходит в малых диапазонах Str [30;

35]10-2nm2. Данное поведение связано с высоким переохлаждением системы, структурная релаксация которой протекает при больших временных масштабах.

На рис. 3 представлены кривые трехчастичной корреляционной функции распределения для жидкого алюминия при температурах T = 1000, 1500 и 2000К. Из рисунка видно, что распределение имеет два ярко выраженных пика при S/2 0.45 и S/2 0.81. В первом случае наличие пика связано с наиболее компактным расположением трех частиц, при котором триплет образует форму равностороннего треугольника (см. вставку на рис. 3). Наличие второго пика связано с дальнодействующими и устойчивыми связями между первыми и вторыми координационными оболочками. Тем не менее, при высоких температурах в жидкой фазе наличие устойчивых трехчастичных корреляций при S/2 1 практически не наблюдается.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
 



Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.