Помощь студентам в учебе
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И УПРУГИЕ СВОЙСТВА МИКРОТРУБОК ДИФЕНИЛАЛАНИНА
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Актуальность темы исследования и степень ее проработанности. Пьезо-электрические и пироэлектрические материалы широко используются в различных областях современной техники. В последние годы большое внимание уделяется получению биосовместимых материалов, упорядоченных на нано- и микроуровне и обладающих большими пьезоэлектрическими и пироэлектрическими коэффициентами. Такие материалы необходимы как в биомедицине для создания клеточных структур и биосенсоров, так и в микроэлектронике для разработки биосовместимых элементов. Наилучшими кандидатами для таких применений являются: микро- и нанотрубки, стержни и волокна, самопроизвольно образующиеся из протеинов и пептидов за счет различных нековалентных межмолекулярных взаимодействий.
Исследование процесса самосборки основных биологических строительных блоков позволяет легко и быстро синтезировать биоорганические молекулярные кристаллы заданной геометрии с малым количеством дефектов, а также является одной из фундаментальных проблем физики конденсированного состояния. Особый интерес к исследованию кристаллических микротрубок ароматического дипептида дифенилаланина (РР) обусловлен сочетанием рекордных спектральных и нелинейно оптических свойств [1], а также недавно обнаруженным сильным пьезоэлектрическим эффектом [2], делающим их наилучшим кандидатом для биомедицинских применений. Вместе с тем в настоящее время механизмы образования микротрубок РР, а также их пьезоэлектрические, пироэлектрические и упругие свойства недостаточно изучены.
Данная работа направлена на исследование формирования и роста микротрубок РР, а также детальное измерение их пьезоэлектрических, пироэлектрических и упругих свойств. Был детально исследован механизм роста микротрубок РР из раствора, определены компоненты их локальных пьезоэлектрических и пироэлектрических тензоров, измерен модуль Юнга. Кроме того, были изготовлены и протестированы прототипы электромеханических устройств на основе микротрубок РР.
Таким образом, проводимые исследования актуальны как для решения фундаментальных проблем физики твердого тела, так и для практических применений.
Цель работы заключается в исследовании кинетики роста микротрубок дифенилаланина, а также изучении их пьезоэлектрических, пироэлектрических и упругих свойств.
Для реализации цели были сформулированы следующие основные задачи:
1) Изучить кинетику роста и зависимости морфологии микроструктур РР от концентрации раствора, температуры и типа подложки для выявления оптимальных параметров процесса создания микротрубок РР.
2) Произвести измерение матрицы локальных пьезоэлектрических коэффициентов и исследовать температурную зависимость коэффициента ^5 в микротрубках РР.
3) Измерить величину и температурную зависимость пироэлектрического коэффициента микротрубок РР.
4) Произвести измерение локального модуля Юнга микротрубок РР методом нано- индентирования.
5) Создать прототипы резонаторов на основе микротрубки РР и измерить их пьезо-электрические резонансы.
Объекты исследования. Исследовались пьезоэлектрические, пироэлектрические и упругие свойства микротрубок дифенилаланина, выращенных из водного раствора.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Обнаружено влияние концентрации воды в растворе метанола и температуры на морфологию микроструктур РР.
2) На основе результатов визуализации формирования микротрубок РР предложена оригинальная модель роста в условиях контролируемой диффузией агрегации.
3) Впервые определена полная матрица локальных пьезоэлектрических коэффициентов, и прямым методом измерена температурная зависимость пьезоэлектрического коэффициента ^5 микротрубок РР.
4) Впервые измерен пироэлектрический коэффициент микротрубок РР и его температурная зависимость.
5) Наличие пироэлектрического эффекта и визуализация доменов рассматриваются как экспериментальное подтверждение того, что микротрубки РР являются сегнетоэлектриками.
6) Впервые методом наноиндентации измерен локальный модуль Юнга микротрубок РР.
7) Обнаружены пьезоэлектрические резонансы микротрубок РР и измерена их добротность.
Практическая значимость:
1) Определены оптимальные условия роста из раствора, позволяющие воспроизводимо получать микротрубки РР миллиметровой длины, пригодные для практических применений.
2) Разработаны методики нанесения электродов на микротрубки РР и их закрепления на подложке.
3) Измеренные матрицы локальных пьезоэлектрических и пироэлектрических ко-эффициентов и модуль Юнга могут быть использованы при проектировании различных биосовместимых функциональных устройств.
4) Показано, что на основе микротрубок РР возможно создание материалов для сбора энергии.
5) Продемонстрирована возможность создания пьезоэлектрических резонаторов на основе микротрубок РР.
Теоретическая значимость:
1) Исследован процесс самосборки молекулярных кристаллов.
2) Предложено описание роста микротрубок РР в рамках модели контролируемой диффузией агрегации мономеров.
3) Экспериментально показано, что микротрубки FF обладают сегнетоэлектрическими свойствами.
Положения, выносимые на защиту:
1) Морфология нано- и микроструктур FF, образующихся при высыхании капли раствора определяется соотношением в растворе концентраций воды и спирта и скоростью высыхания капли.
2) Впервые экспериментально обнаруженный скачкообразный рост микротрубок FF из раствора, может быть описан моделью контролируемой диффузией агрегации мономеров.
3) Наличие впервые измеренного пироэлектрического эффекта и визуализация доменов являются экспериментальным подтверждением того, что микротрубки FF являются сегнетоэлектриками.
4) Пьезоэлектрический коэффициент duи пироэлектрический ток необратимо уменьшаются при нагреве микротрубок FF выше 70°С.
Методология и методы
Подробные экспериментальные исследования пьезоэлектрических, пироэлек-трических и упругих свойств микротрубок FF были получены с использованием со-временного высокоточного аналитического оборудования. Основной особенностью проведенных исследований является малый размер исследуемых микротрубок FF.
Пьезоэлектрические свойства, пьезоэлектрические резонансы и доменная структура микротрубок FF исследовались с помощью сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика; пироэлектрические свойства - с помощью лабораторной установки на основе схемы Чайновиса; упругие свойства - методом наноиндентации с помощью нанотвердомера; морфология и кинетика роста микротрубок FF - с помощью оптической микроскопии, полуконтактной атомно-силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением поверенных и калиброванных средств измерений, надежной статистикой экспериментов, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, согласием с результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность расчетов подтверждается обоснованностью допущений, а также согласованностью с экспериментальными результатами.
Апробация результатов. Основные результаты были представлены на 1) XIV Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-14) (Екатеринбург, 2013), 2) XX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XX) (Красноярск, Россия, 2014), 3) Третьей школе молодых ученых по физике наноструктурированных и кристаллических материалов (Нижний Новгород, Россия, 2014), 4) 7th Int. Conference "Piezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials" with Int. Youth Confer¬ence "Functional Imaging of Nanomaterials” (PFM-2014) (Ekaterinburg, Russia, 2014),
5) 13th European Meeting on Ferroelectricity (Porto, Portugal, 2015), 6) UK-Russian sci¬entific workshop “Molecular materials: from fundamentals to applications” (Novosibirsk, Russia, 2015), 7) International Workshop “Modern Nanotechnologies” (Ekaterinburg, Russia, 2015), 8) 8th International conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (Vienna, Austria, 2015), 9) XVI Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-16), (Екатеринбург, Россия, 2015).
Публикации и личный вклад автора
Основные результаты исследований опубликованы в 12 печатных работах (в том числе в трех статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и в 9 тезисах Всероссийских и международных конференций).
Диссертационная работа выполнена в лаборатории наноразмерных сегнето-электрических материалов Института естественных наук и лаборатории сегнето-электриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук УрФУ с использованием оборудования Уральского ЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке Российского научного фонда (грант 14-12-00812), гранта президента РФ для молодых ученых (контракт 14.Y30.15.6554-MK), Правительства Российской федерации (постановление № 211, контракт 02.A03.21.0006).
Основные результаты работы были получены автором лично. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились совместно с научным руководителем профессором В.Я. Шуром, зав. лаборатории А.Л. Холкиным и с.н.с. П.С. Зеленовским. Эксперименты по выращиванию пептидных микроструктур, исследованию пьезоэлектрических свойств проводились совместно с м.н.с. А.С. Нураевой и м.н.с. Д.С. Васильевой. Исследование пироэлектрических свойств проводилось совместно с м.н.с А.А. Есиным. Исследование упругих свойств, анализ и обработка результатов проводились автором лично. Визуализация микротрубок методом сканирующей электронной микроскопии проводилась совместно с с.н.с. Д.С. Чезгановым. Исследование микротрубок методом конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния света проводилось совместно с с.н.с. П.С. Зеленовским. Соавтор публикаций заведующий лаборатории асимметрического синтеза ИОС УрО РАН В.П. Краснов предоставил растворы FF в воде и в метаноле.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списков сокращений и условных обозначений и цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 123 страницы, включая 49 рисунков, 5 таблиц, список сокращений и условных обозначений и список литературы из 155 наименований.
Исследование процесса самосборки основных биологических строительных блоков позволяет легко и быстро синтезировать биоорганические молекулярные кристаллы заданной геометрии с малым количеством дефектов, а также является одной из фундаментальных проблем физики конденсированного состояния. Особый интерес к исследованию кристаллических микротрубок ароматического дипептида дифенилаланина (РР) обусловлен сочетанием рекордных спектральных и нелинейно оптических свойств [1], а также недавно обнаруженным сильным пьезоэлектрическим эффектом [2], делающим их наилучшим кандидатом для биомедицинских применений. Вместе с тем в настоящее время механизмы образования микротрубок РР, а также их пьезоэлектрические, пироэлектрические и упругие свойства недостаточно изучены.
Данная работа направлена на исследование формирования и роста микротрубок РР, а также детальное измерение их пьезоэлектрических, пироэлектрических и упругих свойств. Был детально исследован механизм роста микротрубок РР из раствора, определены компоненты их локальных пьезоэлектрических и пироэлектрических тензоров, измерен модуль Юнга. Кроме того, были изготовлены и протестированы прототипы электромеханических устройств на основе микротрубок РР.
Таким образом, проводимые исследования актуальны как для решения фундаментальных проблем физики твердого тела, так и для практических применений.
Цель работы заключается в исследовании кинетики роста микротрубок дифенилаланина, а также изучении их пьезоэлектрических, пироэлектрических и упругих свойств.
Для реализации цели были сформулированы следующие основные задачи:
1) Изучить кинетику роста и зависимости морфологии микроструктур РР от концентрации раствора, температуры и типа подложки для выявления оптимальных параметров процесса создания микротрубок РР.
2) Произвести измерение матрицы локальных пьезоэлектрических коэффициентов и исследовать температурную зависимость коэффициента ^5 в микротрубках РР.
3) Измерить величину и температурную зависимость пироэлектрического коэффициента микротрубок РР.
4) Произвести измерение локального модуля Юнга микротрубок РР методом нано- индентирования.
5) Создать прототипы резонаторов на основе микротрубки РР и измерить их пьезо-электрические резонансы.
Объекты исследования. Исследовались пьезоэлектрические, пироэлектрические и упругие свойства микротрубок дифенилаланина, выращенных из водного раствора.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Обнаружено влияние концентрации воды в растворе метанола и температуры на морфологию микроструктур РР.
2) На основе результатов визуализации формирования микротрубок РР предложена оригинальная модель роста в условиях контролируемой диффузией агрегации.
3) Впервые определена полная матрица локальных пьезоэлектрических коэффициентов, и прямым методом измерена температурная зависимость пьезоэлектрического коэффициента ^5 микротрубок РР.
4) Впервые измерен пироэлектрический коэффициент микротрубок РР и его температурная зависимость.
5) Наличие пироэлектрического эффекта и визуализация доменов рассматриваются как экспериментальное подтверждение того, что микротрубки РР являются сегнетоэлектриками.
6) Впервые методом наноиндентации измерен локальный модуль Юнга микротрубок РР.
7) Обнаружены пьезоэлектрические резонансы микротрубок РР и измерена их добротность.
Практическая значимость:
1) Определены оптимальные условия роста из раствора, позволяющие воспроизводимо получать микротрубки РР миллиметровой длины, пригодные для практических применений.
2) Разработаны методики нанесения электродов на микротрубки РР и их закрепления на подложке.
3) Измеренные матрицы локальных пьезоэлектрических и пироэлектрических ко-эффициентов и модуль Юнга могут быть использованы при проектировании различных биосовместимых функциональных устройств.
4) Показано, что на основе микротрубок РР возможно создание материалов для сбора энергии.
5) Продемонстрирована возможность создания пьезоэлектрических резонаторов на основе микротрубок РР.
Теоретическая значимость:
1) Исследован процесс самосборки молекулярных кристаллов.
2) Предложено описание роста микротрубок РР в рамках модели контролируемой диффузией агрегации мономеров.
3) Экспериментально показано, что микротрубки FF обладают сегнетоэлектрическими свойствами.
Положения, выносимые на защиту:
1) Морфология нано- и микроструктур FF, образующихся при высыхании капли раствора определяется соотношением в растворе концентраций воды и спирта и скоростью высыхания капли.
2) Впервые экспериментально обнаруженный скачкообразный рост микротрубок FF из раствора, может быть описан моделью контролируемой диффузией агрегации мономеров.
3) Наличие впервые измеренного пироэлектрического эффекта и визуализация доменов являются экспериментальным подтверждением того, что микротрубки FF являются сегнетоэлектриками.
4) Пьезоэлектрический коэффициент duи пироэлектрический ток необратимо уменьшаются при нагреве микротрубок FF выше 70°С.
Методология и методы
Подробные экспериментальные исследования пьезоэлектрических, пироэлек-трических и упругих свойств микротрубок FF были получены с использованием со-временного высокоточного аналитического оборудования. Основной особенностью проведенных исследований является малый размер исследуемых микротрубок FF.
Пьезоэлектрические свойства, пьезоэлектрические резонансы и доменная структура микротрубок FF исследовались с помощью сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика; пироэлектрические свойства - с помощью лабораторной установки на основе схемы Чайновиса; упругие свойства - методом наноиндентации с помощью нанотвердомера; морфология и кинетика роста микротрубок FF - с помощью оптической микроскопии, полуконтактной атомно-силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением поверенных и калиброванных средств измерений, надежной статистикой экспериментов, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, согласием с результатами других авторов и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность расчетов подтверждается обоснованностью допущений, а также согласованностью с экспериментальными результатами.
Апробация результатов. Основные результаты были представлены на 1) XIV Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-14) (Екатеринбург, 2013), 2) XX Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XX) (Красноярск, Россия, 2014), 3) Третьей школе молодых ученых по физике наноструктурированных и кристаллических материалов (Нижний Новгород, Россия, 2014), 4) 7th Int. Conference "Piezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials" with Int. Youth Confer¬ence "Functional Imaging of Nanomaterials” (PFM-2014) (Ekaterinburg, Russia, 2014),
5) 13th European Meeting on Ferroelectricity (Porto, Portugal, 2015), 6) UK-Russian sci¬entific workshop “Molecular materials: from fundamentals to applications” (Novosibirsk, Russia, 2015), 7) International Workshop “Modern Nanotechnologies” (Ekaterinburg, Russia, 2015), 8) 8th International conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (Vienna, Austria, 2015), 9) XVI Всероссийской школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-16), (Екатеринбург, Россия, 2015).
Публикации и личный вклад автора
Основные результаты исследований опубликованы в 12 печатных работах (в том числе в трех статьях в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и в 9 тезисах Всероссийских и международных конференций).
Диссертационная работа выполнена в лаборатории наноразмерных сегнето-электрических материалов Института естественных наук и лаборатории сегнето-электриков отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Института естественных наук УрФУ с использованием оборудования Уральского ЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ в рамках исследований, проводимых при частичной поддержке Российского научного фонда (грант 14-12-00812), гранта президента РФ для молодых ученых (контракт 14.Y30.15.6554-MK), Правительства Российской федерации (постановление № 211, контракт 02.A03.21.0006).
Основные результаты работы были получены автором лично. Выбор направления исследований, обсуждение результатов и формулировка задач проводились совместно с научным руководителем профессором В.Я. Шуром, зав. лаборатории А.Л. Холкиным и с.н.с. П.С. Зеленовским. Эксперименты по выращиванию пептидных микроструктур, исследованию пьезоэлектрических свойств проводились совместно с м.н.с. А.С. Нураевой и м.н.с. Д.С. Васильевой. Исследование пироэлектрических свойств проводилось совместно с м.н.с А.А. Есиным. Исследование упругих свойств, анализ и обработка результатов проводились автором лично. Визуализация микротрубок методом сканирующей электронной микроскопии проводилась совместно с с.н.с. Д.С. Чезгановым. Исследование микротрубок методом конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния света проводилось совместно с с.н.с. П.С. Зеленовским. Соавтор публикаций заведующий лаборатории асимметрического синтеза ИОС УрО РАН В.П. Краснов предоставил растворы FF в воде и в метаноле.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списков сокращений и условных обозначений и цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 123 страницы, включая 49 рисунков, 5 таблиц, список сокращений и условных обозначений и список литературы из 155 наименований.
Проведенные систематические исследования пьезоэлектрических, пироэлектрических и упругих свойств, а также процесса самосборки микротрубок ГБ, позволили сделать следующие основные выводы:
1) На основе впервые проведенной визуализации формирования микротрубок ББ из капли раствора предложена оригинальная модель роста в условиях контролируемой диффузией агрегации.
2) Исследование влияния концентрации воды в растворе метанола, температуры и типа подложки на морфологию микроструктур позволило определить оптимальные параметры для синтеза микротрубок ББ.
3) Впервые измерена полная матрица пьезоэлектрических коэффициентов, а также прямым методом измерена температурная зависимость пьезоэлектрического коэффициента ^5 микротрубок ББ. Определен диапазон температур - 20-70°С для работы пьезоустройств на базе микротрубок ББ.
4) Впервые выявлено наличие пироэлектрического эффекта микротрубок ББ, и измерена его температурная зависимость. Наличие пироэффекта и визуализация доменов рассмотрены как экспериментальное подтверждение того, что микротрубки ББ являются сегнетоэлектриками.
5) Методом наноиндентации измерен модуль Юнга для микротрубок FF. Обнаруженное различие полученных значений отнесено за счет увеличения жесткости при заполнении микротрубок водой.
6) Изготовлены прототипы резонаторов на основе микротрубок FF. Показано, что измеренная добротность пьезоэлектрических резонансов удовлетворяет требованиям для коммерческих изделий.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Полученные в ходе выполнения работы результаты будут использованы при создании биосовместимых микроэлектромеханических устройств, селективных биосенсоров, а также устройств для накопления и преобразования энергии. Целесообразно провести исследования для объяснения высоких значений пьезоэлектрического отклика микротрубок FF. Должны быть экспериментально исследованы обнаруженные в работе сегнетоэлектрические свойства микротрубок FF. Создание доменной структуры с контролируемыми параметрами позволит предположить создать элементы нелинейной оптики.
1) На основе впервые проведенной визуализации формирования микротрубок ББ из капли раствора предложена оригинальная модель роста в условиях контролируемой диффузией агрегации.
2) Исследование влияния концентрации воды в растворе метанола, температуры и типа подложки на морфологию микроструктур позволило определить оптимальные параметры для синтеза микротрубок ББ.
3) Впервые измерена полная матрица пьезоэлектрических коэффициентов, а также прямым методом измерена температурная зависимость пьезоэлектрического коэффициента ^5 микротрубок ББ. Определен диапазон температур - 20-70°С для работы пьезоустройств на базе микротрубок ББ.
4) Впервые выявлено наличие пироэлектрического эффекта микротрубок ББ, и измерена его температурная зависимость. Наличие пироэффекта и визуализация доменов рассмотрены как экспериментальное подтверждение того, что микротрубки ББ являются сегнетоэлектриками.
5) Методом наноиндентации измерен модуль Юнга для микротрубок FF. Обнаруженное различие полученных значений отнесено за счет увеличения жесткости при заполнении микротрубок водой.
6) Изготовлены прототипы резонаторов на основе микротрубок FF. Показано, что измеренная добротность пьезоэлектрических резонансов удовлетворяет требованиям для коммерческих изделий.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Полученные в ходе выполнения работы результаты будут использованы при создании биосовместимых микроэлектромеханических устройств, селективных биосенсоров, а также устройств для накопления и преобразования энергии. Целесообразно провести исследования для объяснения высоких значений пьезоэлектрического отклика микротрубок FF. Должны быть экспериментально исследованы обнаруженные в работе сегнетоэлектрические свойства микротрубок FF. Создание доменной структуры с контролируемыми параметрами позволит предположить создать элементы нелинейной оптики.