«Ф 80 Форум молодых учёных. Тезисы докладов. Том 1. – Нижний Новгород: Изд–во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2013. – 317 с. Том 1 настоящего сборника включает в себя тезисы докладов Форума молодых учёных ННГУ, ...»

Ранее нами были представлены результаты численного [3] и аналитического [4] моделирования разогрева электронного газа в тонкой базе биполярного транзистора на основе Si при воздействии стационарного потока квантов высоких энергий. В настоящей работе аналитическая модель [4] расширена на биполярный транзистор на основе GaAs.

Разогрев электронного газа определяет как динамику переноса носителей заряда в пространственного заряда коллекторного перехода. Последнее оказывается существенным для процесса ударной ионизации [5] и зарождения радиационно-стимулированного лавиннотеплового пробоя [6] в мощных СВЧ полупроводниковых приборах.

Результаты расчетов средней энергии электронного газа на границе квазинейтральной области базы и пространственного заряда коллекторного перехода представлены на рис. 1.

Более сильный разогрев электронного газа в биполярном транзисторе на основе GaAs, обусловлен большей шириной запрещенной зоны данного материала (Eg (GaAs) = 1,42 эВ, Eg (Si) = 1,12 эВ) и большей длиной релаксации энергии (LW (GaAs) = 4 мкм, LW (Si) = 4 мкм).

Показано, что разогрев электронного газа начинает сказываться при отношении длины релаксации энергии электронов к толщине базы порядка 4, что составляет в случае Si около 0,25 мкм, в случае GaAs около 1 мкм.

Рис. 1. Зависимость средней энергии электронного газа на границе квазинейтральной области базы и пространственного заряда коллекторного перехода от толщины базы: (- - -) – в отсутствие облучения, () – при Список литературы 1. Shockley W. The theory of p-n junction in semiconductors and p-n junction transistors // Bell system technical journal. 1949. Vol.28, No.7. P. 435-489.

2. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Аналитическая модель переходных ионизационных процессов в кремниевых биполярных транзисторах с тонкой базой при воздействии импульсного фотонного излучения // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2012. Вып.4. С. 5-8.

3. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Влияние радиационно-стимулированного разогрева электронного газа на развитие лавинного пробоя в транзисторных структурах // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2010. Вып.3. С. 46-50.

4. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Аналитическая модель разогрева электронного газа в тонкой базе биполярного транзистора при воздействии стационарного потока квантов высоких энергий // В кн.: Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2013» - М.: НИЯУ МИФИ, 2013, С. 115-116.

5. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Петров С.Г. Особенности ударной ионизации в полупроводниковых приборах с субмикронными областями пространственного заряда при воздействии потока квантов высоких энергий // Вопросы атомной науки и техники. Серия:

Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011. Вып.2. С. 10-13.

6. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Особенности стимулированного излучением пробоя p-n перехода с неоднородным легированием // Микроэлектроника. 2009. Т.38, №1. С. 64-74.

Анализ генерации магнитосферного циклотронного мазера Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В работе представлены результаты по наблюдению генерации магнитосферного циклотронного мазера, возбуждаемого в утренние часы после прохождения терминатора (08:00 – 11:00 LT). Генерация мазера наблюдалась в виде выделенного на фоне КНЧ хиссов достаточно узкополосного излучения на частотах порядка гирочастоты протонов на высотах пролета спутника. Наиболее ярко эффект проявляется над областью Бразильской магнитной аномалии.

Резонансные взаимодействия волновых полей и потоков заряженных частиц в магнитосфере Земли могут привести к генерации магнитосферного циклотронного мазера.

Роль активного вещества выполняют частицы радиационных поясов, для которых из-за наличия конуса потерь в пространстве скоростей характерна инверсия населенностей, проявляющаяся в поперечной анизотропии функции распределения. Инверсия населенностей по поперечным скоростям частиц радиационного пояса дает начало циклотронной неустойчивости, в результате которой малые электромагнитные возмущения начинают экспоненциально нарастать. Положительная обратная связь обеспечивается частичным отражением волн от ионосферных зеркал. Порог генерации достигается при балансе усиления волн и потерь. Генерация магнитосферного мазера проявляется в значительном увеличении интенсивности возбуждаемых низкочастотных излучений (ОНЧ и КНЧ диапазонов) и высыпаний отработавших высокоэнергетичных частиц.

Для исследования генерации магнитосферного циклотронного мазера в работе проведен анализ результатов измерений бортовой аппаратурой ИСЗ DEMETER параметров плазмы и характеристик электромагнитных полей за весь период функционирования спутника с 2004 по 2010 гг. ИСЗ DEMETER имел гелиосинхронную орбиту и поэтому над соответствующих локальным утренним и вечерним часам.

Новым результатом наблюдений явилось обнаружение генерации излучения на частотах порядка гирочастоты протонов на высотах пролета спутника в утренние часы после прохождения терминатора. Наиболее ярко генерация наблюдается над областью Бразильской высыпающихся высокоэнергетичных заряженных частиц.

Наблюдение ионно-циклотронной линии на фоне генерации КНЧ хиссов, а также низкочастотных излучений, обусловленный взаимодействием электромагнитных волн типа свистов (частотой и волновым вектором k) c высокоэнергетичными электронами радиационных поясов, находящимися с ними в циклотронном резонансе Максимальная частота в спектре излучения, на которой обращается в ноль:

Для типичного значения параметра анизотропии q 1 4 на L = 4 получаем, что максимальная частота в спектре низкочастотного излучения не должна превосходить 2,5 кГц, что соответствует представленным результатам наблюдений.

Потоки высокоэнергетичных электронов усиливают свистовые волны, запертые в плазмосферном резонаторе (область относительно холодной, плотной околоземной плазмы, расположенная между ионосферой и резким падением плотности плазмы в районе L ~ (плазмопауза)). Свисты при отражениях от торцов резонатора переходят с одной силовой линии на другую и диффузно заполняют весь резонатор. В результате внутри плазмосферы наблюдается генерация КНЧ хиссов.

В утренние часы в системе ионосфера-магнитосфера Земли у свистов, усиленных в результате взаимодействия с высокоэнергетичными электронами, появляется возможность с малыми потерями отразиться от верхней ионосферы обратно на ту же силовую линию и замкнуть обратную связь нужного знака.

В вечерние часы (возможно, из-за снижения высоты области отражения свистовых волн) величина усиления волн становится уже недостаточной для выполнения условия (3) и генерация ионно-циклотронной линии не наблюдается.

циклотронного мазера. Новым результатом наблюдений явилось обнаружение внутри плазмосферы генерации излучения на частотах порядка гирочастоты протонов на высотах пролета ИСЗ DEMETER в утренние часы, после прохождения терминатора. Наиболее ярко эффект наблюдается над областью Бразильской магнитной аномалии, характеризуемой высокой интенсивностью потоков высыпающихся высокоэнергетичных заряженных частиц.

Выявлена зависимость интенсивности генерации от уровня геомагнитной активности.

Мониторинг представленных КНЧ излучений позволяет получать информацию о состоянии радиационных поясов Земли и параметрах околоземной плазмы невозмущающим (без внешнего воздействия) методом, что открывает дополнительные возможности для исследования окружающей среды.

Рентгеновский микроскоп для диапазона длин волн 3–14 нм Высшая школа общей и прикладной физики, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Н. Новгород, Россия Диапазон длин волн 2 – 5 нм представляет интерес для микроскопии биологических объектов, так как именно в этом диапазоне лежат К-края поглощения таких биологически важных химических элементов, как кислород, азот, углерод. Взаимодействие мягкого рентгеновского (МР) излучения с молекулами, содержащими вышеуказанные элементы, имеет резонансный характер. Вследствие этого длина поглощения излучения для разных химических элементов варьируется от долей микрона до десяти микрон, что обуславливает высокую контрастность изображения. Длина волны 13.5 нм является перспективной для фотолитографии, и микроскоп на этой длине волны может найти применение в исследовании литографических масок.

Схематически, микроскоп будет состоять из следующих частей: источник МР излучения, зеркало-коллектор, двухзеркальный асферический объектив Шварцшильда на основе многослойных зеркал нормального падения, высокоразрешающий двухкоординатный детектор рентгеновского излучения.

В данной работе разрабатываются источник и двухкоординатный детектор.

Источником МР является лазерная плазма, полученная вблизи поверхности металлической мишени фокусировкой лазерного пучка. Используется Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм и энергией в импульсе 220 мДж.

Детектор состоит из оптически прозрачного сцинтиллятора, преобразующего МР в видимый свет, увеличивающей оптической системы и ПЗС-матрицы. На данный момент используется сцинтиллятор YAG:Ce. Разрешение детектора на длине волны 13.5 нм составляет 1 мкм.

Испытания источника и детектора проводились с использованием в качестве коллектора сферического объектива Шварцшильда рассчитанного на длину волны 13.5 нм.

Рис. 1. Предполагаемая схема проекционного рентгеновского микроскопа. РИ – источник рентгеновского излучения, ЗК – зеркало-коллектор, СБО – стол с биологическим образцом, ПД – полевая диафрагма, БО – исследуемый биологический образец, ОШ – объектив Шварцшильда, образованный зеркалами М1 и М2, СФ – спектральный фильтр, УВИ – устройство визуализации изображения, ВИ – визуализатор изображения, ПЗС – Список литературы Прецизионная изображающая многослойная оптика для мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового диапазонов // Успехи физических наук. 2012. Т.182. С.

727–747.

Об эффекте трансформации длины волны, длительности и мощности лазерных импульсов при рассеянии на ускоренно движущихся частицах Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Эффект трансформации длительности электромагнитных воздействий от ускоренно движущегося источника был предсказан В. Ритцем в 1908 г. на базе баллистической теории света [1; 2]. Согласно ей, источник дополнительно сообщает свою скорость v испущенному свету, движущемуся относительно источника со стандартной скоростью c (скорость света), а относительно приёмника – со скоростью c + v. Тогда при ускоренном движении источника к наблюдателю волновые фронты, приобретая в моменты испускания всё большие скорости, догоняют друг друга, сокращая длину волны и длительность импульса. Если ускорение источника направлено от наблюдателя, гребни световых волн расходятся, наращивая длину волны и длительность импульса. Из кинематики и закона сохранения энергии следует закон изменения длительности t, длины волны и мощности P импульсов света [2]:

где ar – лучевое ускорение источника, L – путь света. Эффект (1) назовём эффектом Ритца.

В земных условиях эффект мал, т.к. в знаменателе (1) стоит квадрат скорости света.

Но он заметен на космических дистанциях L. Так, у галактик, в видимых участках ядер которых ускорения направлены от нас к центрам галактик (ar > 0), длины волн ' росли бы пропорционально дистанциям L галактик. Этот эффект (1) подобен закону красного смещения ' = (1 + LH/c), открытому Э. Хабблом, который отрицал его космологическую природу. Коэффициент пропорциональности H = 75 (км/с)/Мпк (постоянная Хаббла) близок к коэффициенту ar/c, рассчитанному по ускорениям ar = V2/R в галактиках. Взяв за образец нашу Галактику, характеристики которой типичны для спиральных галактик, а ядро имеет радиус R = 0,002 Мпк и окружную скорость V = 210 км/с, получим расчётное значение постоянной Хаббла Hс = ar/c 74 (км/с)/Мпк, близкое к измеренному H. При лабораторных дистанциях L и ускорениях ar эффект (1) столь мал, что регистрировался бы лишь по эффекту Мёссбауэра. Действительно, в опыте Бёммеля при ускорении ar источника -лучей наблюдался сдвиг их длины волны на поглотителе (' – )/ = Lar/c2, пропорциональный дистанции L [1]. То есть лабораторные эксперименты не противоречат эффекту Ритца.

Для трансформации t, и P в разы в (1) следует обеспечить Lar/c2 ~ 1 и ar = c2/L ~ 1017 м/с2, при дистанциях L ~ 1 м. Это ускорение легко сообщить электронам или ионам, переизлучающим свет. В электрическом поле E ускорение a = Ee/m электрона (где e/m = 1,76·1011 Кл/кг – его удельный заряд) достигнет 1017 м/с2 при E ~ 106 В/м – величины вполне достижимой. Установка по проверке эффекта Ритца и трансформации света должна представлять собой вакуумную камеру, где пучок электронов или ионов приобретает в электрическом поле ускорение ~1017 м/с2. Лазерное импульсное излучение с длиной волны и длительностью импульса t ~ 1 пс фокусируется на пучке и претерпевает томсоновское рассеяние на электронах (или ионах), становящихся вторичными источниками излучения. Их свет свободно пролетает в вакууме дистанцию L ~ 1 м до светофильтра (задерживающего излучение длины волны ), попадает в спектрометр или детектор, которые в случае справедливости эффекта Ритца зарегистрируют сигнал изменённой длительности t' и длины волны ' (1). При ar -c2/L малая вариация ar, вызванная изменением E или L, вызывает сильное изменение ', что открывает простой способ перестройки длины волны из оптического в УФ-, рентгеновский и гамма-диапазон. При обратном знаке поля и ускорения ' растёт, что позволит трансформировать оптическое излучение в ИК и терагерцовое.

Ускорение электронов, атомов или наночастиц можно вызвать и световым давлением p = 2I/c. Оно сообщает частице радиуса r ~ 10–9 м, плотности ~ 103 кг/м3 и массы m = 4r3/3, ускорение a = pr2/m ~ I/cr ~ 1017 м/с2 уже при интенсивности I ~ 1016 Вт/см2, достижимой в фемтосекундных импульсах [3]. Тогда лазерный свет одновременно ускоряет частицы и, после переизлучения ими, трансформируется по эффекту Ритца. Так как световое давление осциллирует на удвоенной частоте колебаний светового поля, эффект Ритца (1) не только повысит частоту, но и исказит профиль излучаемой волны, формируя нечётные гармоники несущей частоты. Это реально наблюдают в генераторах аттосекундных импульсов, где в сфокусированном луче фемтосекундного лазера атомы и наночастицы под действием светового давления приобретают гигантские ускорения, вплоть до 1023 м/с2 [3].

Выходит, регистрируемые в них импульсы рентгеновского излучения аттосекундной длительности могут преобразоваться из фемтосекундных оптических импульсов и по эффекту Ритца (1). Выяснить основной механизм генерации импульсов можно, изучив зависимость спектра от расстояния L и от ускорения ar (от величины светового давления).

Список литературы 1. Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. М.: Наука, 1972. 212 с.

2. Семиков С.А. // Тр. XIV-й научн. конф. по радиофизике. 7 мая 2010 г., С. 188–190.

3. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. М.: Физматлит, 2008. 208 с.

Терагерцовая спектроскопия предметов искусства Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Освоение так называемой «терагерцовой щели» в спектре электромагнитных волн, расположенной между инфракрасным и микроволновым диапазонами, - одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной прикладной физики. Интерес к данному диапазону связан с перспективами широкого применения терагерцового излучения в фундаментальных исследованиях и практических приложениях. Одним из наиболее «горячих» применений терагерцового излучения является спектроскопия и имиджинг предметов искусства. Первые исследования по данной тематике были проведены в году, когда Кох и др. [1] применили терагерцовое излучение в области дендрохронологии – науке об определении возраста деревянных предметов. В настоящее время в мире существует около десяти исследовательских групп, активно применяющих терагерцовое излучение для сохранения предметов искусства и археологии.

Рис. 1. Фотография образца с шестью полосами из краски, покрытого белилами.

В работе [2] показано, как терагерцовая спектроскопия во временной области может быть использована для распознавания структуры картин, нарисованных на холсте. Образец, представленный на рис.1, облучался терагерцовыми волнами. На рис.2 показан результат визуализации полос из краски под слоем белил.

В работе [3] авторы изучили картину «Politico di Badia» итальянского художника Джотто, находящуюся в одной из картинных галерей города Флоренция, с помощью портативной системы по терагерцовой спектроскопии во временной области T-Ray компании Picometrics. На рис.3 представлена фотография картины и ее изображение в терагерцовых волнах.

В лаборатории экстремальных световых полей радиофизического факультета ННГУ удалось визуализировать внутреннюю структуру иконы «Богоматерь: Взыскание погибших»

(рис.4).

искусствоведам при реставрации иконы.

Рис. 2. Изображение полос из краски, полученное с помощью терагерцовых волн.

Рис. 3. Изображение картины Politico di Badia в терагерцовом диапазоне.

Рис. 4. Визуализация сучка в иконе «Богоматерь: Взыскание погибших».

Список литературы 1. M. Koch, S. Hunsche, P. Schumacher, M.C. Nuss, J. Feldmann, and J. Fromm. THzimaging: a new method for density mapping of wood // Wood Science and Technology. 2008. V.

32, P. 421-427.

2. A.J.L. Adam, P.C.M. Planken, S. Meloni, and J. Dik. TeraHertz imaging of hidden paint layers on canvas // Optics express. 2009. V. 17. P. 3407-3416.

3. K. Fukunaga and M. Picollo. Terahertz spectroscopy applied to the analysis of artists’ materials // Applied Physics A. 2010. V. 100. P. 591-597 (2010).

Учёт крупномасштабных неоднородностей проводимости в атмосфере в Научно-исследовательская часть, Нижегородский государственный университет Идея глобальной электрической цепи — одна из основополагающих концепций в современной физике атмосферы. Геометрически атмосфера представляет собой воздушную оболочку, ограниченную с одной стороны поверхностью Земли, а с другой стороны ионосферой; приближённо можно считать обе границы идеально проводящими по сравнению с заключённым между ними воздухом, проводимость которого экспоненциально возрастает с высотой. Такая геометрия определяет распределённый токовый контур, в котором ток проводимости, поддерживаемый грозовыми облаками, в областях возмущённой погоды течёт вверх, а в областях хорошей погоды — вниз, замыкаясь через высокопроводящие границы.

Если представить источники глобальной цепи в виде заданного распределения плотности внешнего электрического тока J ext (r ), то корректная постановка задачи для следующими уравнениями [1]:

где 1 — поверхность Земли, 2 — нижняя граница ионосферы, а ионосферный потенциал V i есть константа, определяемая из решения. Предполагая, что поверхности 1 и сферические координаты), нетрудно в ряде случаев (например, если проводимость зависит только от радиальной переменной r ) получить из уравнений (1)–(3) аналитические выражения для ионосферного потенциала.

Пусть сферический слой, занимаемый атмосферой, разбит на области 1, 2, …, n по угловым переменным (, )1, а проводимость ( j ) и радиальная плотность внешнего электрического тока J r( j ) в каждой из областей j зависят лишь от радиальной переменной, в то время как остальные компоненты плотности внешнего тока равны нулю. В этом случае можно приближённо искать решение (1)–(3), предполагая, что в каждой из областей j оно описывается некоторой функцией ( j ) ( r ), также зависящей лишь от радиальной переменной. Такая аппроксимация оправдана в том случае, когда характерный «горизонтальный» размер областей j существенно превышает rmax rmin, однако и в случае невыполнения этого условия она также позволяет проследить на качественном уровне многие закономерности. Пользуясь описанным приближением, можно получить следующее выражение для ионосферного потенциала:

где j — телесный угол, «занимаемый» j. Формула (4) при соответствующем выборе областей j позволяет исследовать в рамках модели глобальной цепи влияние на ионосферный потенциал крупномасштабных неоднородностей проводимости. В частности, оказывается возможным получить приближённые формулы для ионосферного потенциала с учётом понижения проводимости внутри грозовых облаков и формирования областей повышенной проводимости над ними.

Работа выполнена при поддержке гранта Правительства Российской Федерации (договор № 11.G34.31.0048).

1. Калинин А.В., Слюняев Н.Н., Мареев Е.А., Жидков А.А. Стационарные и нестационарные модели глобальной электрической цепи: корректность, аналитические соотношения, численная реализация // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана (2013, в печати).

Генерация терагерцового черенковского излучения Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет магнитного диполя является предметом дебатов в течение многих лет (см., например, работы [1-3]). В настоящее время признано, что излучение будет разным для двух различных типов диполя – малого витка с током и двух магнитных монополей, разнесенных на небольшое расстояние друг от друга. Физическая природа этой разницы связана с тем, как двигающийся диполь действует на «протекающую» через него среду. В настоящей работе исследуется черенковское излучение релятивистского магнитного диполя другого, третьего, типа, а намагниченности и движется с групповой скоростью оптического импульса, какое-либо движение вещества отсутствует. Намагниченность создается передним краем импульса накачки и гасится его задним краем. В этом сравнительно несложно реализуемом практически случае отсутствуют теоретические проблемы, характерные для описания движущегося материального магнитного диполя, поскольку намагниченность однозначно задается в системе отсчёта, где среда неподвижна.

В рассматриваемой схеме генерации (рис. 1а) лазерный импульс фокусируется в магнитооптический кристалл тербиево-галиевого граната (TGG), генерируемое терагерцовое излучение выводится из кристалла в свободное пространство сапфировой призмой.

Намагниченность, наводимая лазерным импульсом накачки в кристалле вследствие обратного эффекта Фарадея, может быть записана в виде [4] где П(z) = 1 внутри слоя и 0 вне слоя, F(t-z/U) и G(x) – гауссовы профили, U – групповая скорость лазерного импульса, V – константа Верде данного материала, opt – оптическая частота, а верхний и нижний знаки соответствуют правой и левой циркулярной поляризации лазерного излучения. Результат электродинамического расчета поля излучения, генерируемого движущейся намагниченностью M приведен на рис. 1б.

Рис. 1. а) Схема генерации черенковского излучения импульсом оптонамагниченности. б) Картина поля Оценка вышедшего из призмы в свободное пространство терагерцового поля дает значение ~30 В/см. Электрического поле такой величины, в принципе, доступно для детектирования стандартным методом электрооптического стробирования. Экспериментальное наблюдение терагерцового черенковского излучения в предложенной здесь схеме может послужить проверкой выражения (1) на субпикосекундных временах.

Список литературы 1. Франк И.М. Эффект Доплера в преломляющей среде // Известия АН СССР. Серия физическая. 1942. Т. 6. С. 3.

2. Ginzburg V.L. Application of Electrodynamics in Theoretical Physics and Astrophysics.

Gordon and Breach, London, 1989.

3. Afanasiev G.N., Stepanovsky Yu.P. Electromagnetic fields of electric, magnetic, and toroidal dipoles moving in medium // Phys. Scr. 2000. V. 61. P. 704.

4. P. S. Pershan Nonlinear optical properties of solids: energy considerations // Phys. Rev.

1963. V. 130. P. 919.

Сопоставление радиационной стойкости GaN и GaAs HEMT Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В современных полупроводниковых приборах микроэлектроники используют гетеронаноструктурные транзисторы (HEMT) на основе соединений InGaAs/InAlAs.

Поведение таких транзисторов при воздействии нейтронного облучения хорошо изучено [1, 3]. При воздействии радиационного облучения из-за возникновения комплексов радиационных дефектов, включающих доноры, наблюдается снижение уровня концентрации электронов, что приводит к снижению напряжения отсечки, т.е. при наборе дозы облучения транзистор закрывается.

В настоящее время разработчики аппаратуры начинают активно использовать в перспективных разработках GaN HEMT. Особенностью данного транзистора является формирование двумерного электронного газа на границе полупроводниковых слоев за счет спонтанной поляризации гетерограниц [2]. То есть, в GaN структурах не требуется дополнительное легирование донорами. Следовательно, можно предположить, что при нейтронном облучении концентрация электронов не изменяется, а уменьшение тока прибора будет связано с изменением подвижности электронов, из-за рассеяния на радиационных дефектах. Необходимо исследовать силу проявления указанного эффекта и определить уровень радиационной стойкости транзисторов, сопоставив его с уровнем, соответствующим InGaAs/InAlAs НЕМТ.

Для анализа уровня радиационной стойкости транзисторов проводились измерения характеристик GaAlAs/InAlAs и GaN структур до и после радиационного воздействия.

Для GaAlAs/InAlAs НЕМТ наблюдалось характерное переключение формы вольтфарадных характеристик при увеличении уровня облучения. После облучения значение емкости снизилось на 15 – 20 %, а концентрации - на 10 – 15 %. Ток образца при обратном напряжении стока 500 мВ снизился на 20 %.

Результаты измерений GaN НЕМТ показали, что значение емкости образца при обратном смещении возросло на 5 – 8 %, ток образца при напряжении стока 500 мВ снизился на 25 –30 %. Значение концентрации электронов после облучения уменьшилось на 5 %, что, скорее всего, объясняется образованием радиационных дефектов, которые захватывают и электроны в канале транзистора.

В результате работы не выявлены необратимые изменения характеристик транзистора при облучении нейтронами до уровня 3·1014 см-2. В результате исследований показано, что GaN HEMT обладает более высоким уровнем радиационной стойкости по сравнению с GaAs транзисторами, что обусловлено поляризационными явлениями на границе гетероструктур GaN/AlGaN.

Список литературы 1. Тарасова Е.А., Демидова Д.С., Оболенский С.В., Фефелов А.Г., Дюков Д.И.

InAlAs/InGaAs HEMT при облучении квантами высоких энергий // Физика и техника полупроводников, 2012 г. Т. 46, Вып. 12, С. 1587-1592.

2. Федоров Ю. Широкозонные гетероструктуры (Al, Ga, In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн. // Электроника, 2011. №2, С. 92-107.

3. Аствацатурьян Е.П., Громов Д.В., Ломако В.М. Радиационные эффекты в приборах и интегральных схемах на арсениде галлия. Минск: Университетское, 1992.

4. Тарасова Е.А., Оболенский С.В., Чурин А.Ю. «Исследование структур и транзисторов с двумерным электронным газом вольт-фарадным методом» // Сборник трудов XVII Нижегородской сессии молодых ученых (естественные, математические науки), 28- мая, 2012. С. 79-82.

Устойчивость волн и режимы динамики в дискретном уравнении Гинзбурга-Ландау в пространственно однородном и неоднородном случаях Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Недавно открыто явление конденсации экситонных поляритонов в квантовых точках, образованных полупроводниковыми микрополостями, ограниченными брэгговскими зеркалами. Такие системы представляют фундаментальный интерес в качестве новой экспериментальной реализации бозе-эйнштейновского конденсата. Возможно классическое описание этих систем в форме дискретного уравнения Гинзбурга-Ландау [1]. Вообще, решёточные модели типа Гинзбурга-Ландау исследовались в литературе, в частности, проведен анализ устойчивости гармонических волновых решений [2]. Одна из целей данной работы применить аппарат теории слабонелинейного взаимодействия мод к пространственно однородной модели, затем в рамках модового описания провести анализ устойчивости волн для «двухатомной» цепочки.

Для этого в пространственно однородном случае при периодических граничных условиях произведен переход к комплексным нормальным переменным с помощью дискретного преобразования Фурье. Полученное уравнение для мод имеет одномодовое решение. Периодическому во времени одномодовому решению соответствует в исходных переменных гармоническая бегущая волна определенной амплитуды. Исследована устойчивость этой волны по отношению к малым возмущениям. Для этого, линеаризуя уравнение для мод в окрестности одномодового решения, получено семейство замкнутых систем уравнений для пар мод с волновыми числами, симметричными относительно волнового числа исходной волны. Из этих уравнений получаются выражения для инкрементов соответствующих пар мод, согласующиеся с результатом [2].

Также рассмотрена пространственно неоднородная «двухатомная» цепочка. Было получено уравнение для комплексных нормальных переменных, имеющее семейство двухмодовых инвариантных многообразий, где все моды, кроме двух, соответствующих любому одному волновому числу, равны нулю. Периодическое во времени двухмодовое решение отвечает в исходных переменных гармонической бегущей волне, которая была исследована на устойчивость. Устойчивость исследовалась по отдельности по отношению к возмущениям внутри инвариантного многообразия и возмущениям, выводящим за пределы многообразия. Возможны ситуации, при которых исходная волна устойчива, либо при устойчивости внутри двухмодового многообразия имеет место неустойчивость, выводящая за пределы многообразия (с нарастанием всех или части мод с другими волновыми числами).

Возможна также неустойчивость внутри многообразия. Аналитические предсказания подтверждаются численным моделированием.

Было также проведено численное моделирование динамики системы из начальных условий, соответствующим малым случайным отклонениям от нулевого состояния равновесия или от неустойчивой волны. При определенных условиях на параметры модели выявлена следующая закономерность. Если в пространственно однородной цепочке волна с волновым числом (либо в «двухатомной» цепочке – с волновым числом 0) линейно устойчива, то система выходит на аттрактор, соответствующий этой устойчивой волне, либо волне с близким волновым числом. Если эта волна неустойчива, то чем более узкий интервал мод в ее окрестности соответствует неустойчивым направлениям (имеет положительный инкремент), тем лучше локализуется по энергии в окрестности указанного волнового числа устанавливающееся решение.

При фиксированных граничных условиях численно исследована динамика системы.

Выяснено, что из достаточно широкого класса начальных условий в пространственно однородной и «двухатомной» цепочках устанавливаются следующие характерные режимы:

сложный непериодический режим; две гармонические бегущие волны с одинаковыми характеристиками, бегущие от общего источника, расположенного во многих случаях примерно в середине цепочки; ситуация, когда большая часть цепочки занята бегущей волной; одновременное сосуществование волны по краям и сложного непериодического режима в центральной части цепочки, причем положение пространственных границ раздела режимов не зависит от начальных условий, а определяется лишь расстоянием от краев цепочки. Кроме того, в «двухатомной» цепочке число узлов (четно или нечетно) может играть существенную роль.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК-4028.2012.2, Фонда некоммерческих программ «Династия».

Список литературы 1. Aleiner I.L., Altshuler B.L., Rubo Y.G. Radiative coupling and weak lasing of excitonpolariton condensates //Physical Review B. 2012. Vol. 85. P. 121301.

2. Арансон И.С., Гапонов-Грехов А.В., Рабинович М.И. Развитие хаоса в ансамблях динамических структур //ЖЭТФ. 1985. Т. 89. Вып. 1. С. 92-104.

Численное моделирование движения газовых пузырьков в сильных полях Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Исследование взаимодействия газовых пузырьков с акустическим полем привлекает внимание специалистов в течение длительного времени, причем актуальность этой проблемы не снижается и в наши дни. Газовые пузырьки находят применение в современных технологических процессах и медико-биологических методах. В настоящей работе представлены результаты численного моделирования движения пузырьков в проточном акустическом резонаторе, в котором можно создать достаточно сильное поле.

Пузырек в акустическом резонаторе совершает одновременно радиальные и поступательные движения. В плоском резонаторе с потоком жидкости движение пузырька происходит за счет действия радиационной силы со стороны звукового поля и силы Стокса со стороны потока жидкости соответственно. Радиационная сила возникает из-за взаимодействия акустического поля с колебательными движениями пузырька, сила Стокса обусловлена разностью скоростей потока жидкости и пузырька:

где p – поле давления в резонаторе, R – радиус пузырька, – динамическая вязкость жидкости, u – скорость пузырька, v – скорость жидкости, обтекающей пузырек. Под действием данных сил происходит движение пузырька в резонаторе. При изменении концентрации пузырьков меняется скорость звука и поглощение в резонаторе, что приводит к взаимосогласованной задаче движения газовых пузырьков в резонаторе с параметрами, зависящими от пузырьков. Задача решалась численными способами на основе метода РунгеКутты 4-ого порядка [1]. В результате численного счета были получены графики движения пузырьков различных размеров в проточном резонаторе (рис. 1). Из рисунка видно, что движение пузырьков происходит нелинейным образом, пузырьки группируются в областях интенсивного взаимодействия с акустическим полем, происходит перераспределение концентрации пузырьков по резонатору. Видно, что пузырьки большего размера дольше задерживаются в резонаторе, что связано с более интенсивным взаимодействием крупных пузырьков с полем. Данный эффект позволяет решать задачу селекции газовых пузырьков с помощью акустического резонатора (рис. 2).

Рис. 1. Графики движения пузырьков различных размеров при их движении по резонатору. Радиусы пузырьков В зависимости от концентрации пузырьков в резонаторе изменяется акустическое поле. При определенной концентрации пузырьков можно добиться резонансного поля и скорость пузырьков станет существенно отличаться от скорости потока. Во всех остальных случаях скорость пузырька будет близка к скорости потока (рис. 3).

Рис. 2. Относительное распределение пузырьков по размерам на входе резонатора (1); вдоль всего объема резонатора (2); в области интенсивного взаимодействия акустического поля с пузырьком (3). M – Рис. 3. Зависимость максимальной скорости пузырька от средней концентрации пузырьков в резонаторе. Пики Список литературы 1. Тихонов В.А., Диденкулов И.Н., Прончатов-Рубцов Н.В. Численное моделирование движения газовых пузырьков в проточном резонаторе // Акустический журнал. 2013. Т. 59, № 4, С. 445-451.

Ветро-волновое взаимодействие в пограничном слое атмосферы над внутренним водохранилищем: натурные измерения и проверка модели Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В данной работе представлены результаты натурных экспериментов, проведенных на Горьковском водохранилище для проверки квазилинейной модели пограничного слоя атмосферы [1]. В ходе эксперимента одновременно измерялись профили скорости ветра и спектры поверхностных волн. Следующие датчики были размещены на вехе Фруда: 1) ультразвуковые датчики WindSonic Gill instruments, расположенные на 5 уровнях от 10 см до 5.3 м, позволяют определять модуль и направление скорости ветра 2) 3-канальный струнный волнограф с основанием 5 см позволяет измерять профиль поверхности воды и восстанавливать трёхмерный спектр волнения 3) резистивные датчики температуры воды и воздуха, расположенные на несольких горизонтах.

По измеренным профилям скорости ветра были рассчитаны основные параметры пограничного слоя атмосферы: скорость трения u*, скорость ветра на стандартной высоте м U10 и коэффициент аэродинамического сопротивления CD. Зависимость CD(U10), полученная на Горьковском водохранилище, была сопоставлена с аналогичными данными, полученными на озере Джордж в австралиии во время The Australian Shallow Water Experiment (AUSWEX), проведенного в 1997 - 1999 [2, 3]. Было получено хорошее согласие между данными при разных параметрах внутренних вод: на глубоком Горьковском водохранилище и на мелком озере Джордж. Был проведён анализ с целью выяснения причин этого совпадения коэффициентов сопротивления. Измерения показали, что в обоих водоемах спектры поверхностных волн имеют почти одинаковые асимптотики (пространственный спектр – k-3, частотный спектр - -5), соответствующие спектрам насыщения Филипса. Такие спектры обычно наблюдаются у крутых поверхностных волн, для которых основным механизмом диссипации является обрушение. Сходство коротковолновой части спектра можно рассматривать как вероятную причину совпадения зависимости коэффициента сопротивления от скорости ветра над водной поверхностью. Количественная проверка этой гипотезы была проведена в рамках квазилинейной модели ветра над волнами [1]. Входные параметры в расчетах - измеряемые скорость трения ветра и спектр поверхностных волн. По ним рассчитывались соответствующие скорость ветра на стандартной высоте 10 м и коэффициент сопротивления. Показано, что при скорости ветра 6 м/с, модель воспроизводит данные измерений. Значительная разница модели и измерений при более слабых ветрах может быть связана с большой погрешностью измерений вызванной нестационарностью слабых ветров.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 11-05-12047-офи-м, 13-05-00865-а, 12-05-33070).

1. Troitskaya, Y.I., Sergeev D.A., Kandaurov A.A., Baidakov G.A., Vdovin M.I., Kazakov V. I. Laboratory and theoretical modeling of air-sea momentum transfer under severe wind conditions // J.Geophys. Res., 117, C00J21, doi:10.1029/2011JC007778.

2. Donelan M.A., Babanin A.V., Young I.R., Banner M.L., McCormick C. Wave follower field measurements ofthe wind input spectral function. Part I: Measurements and calibrations // J.

Atmos. Oceanic Technol., 2005. V. 22 P. 799–813.

3. Babanin, A.V., Makin V.K. Effects of wind trend and gustiness on the sea drag: Lake George study // J.Geophys. Res., 113, C02015, doi:10.1029/2007JC004233.

Теоретическое исследование влияния брызг на обмен импульсом при Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Построена стохастическая модель «жизненного цикла» капли, срываемой ветром с гребня крутой поверхностной волны и затем падающей в воду, основанная на использовании Марковской цепи для описания взаимодействия капель воды в пограничном слое атмосферы с турбулентными флуктуациями. Составными частями модели являются модель движения тяжелой частицы в турбулентном воздушном потоке, модель ветрового потока (среднее поле ветра, возмущения индуцированные волнами в воздушном потоке, турбулентные флуктуации), модель инжекции капель в воздушный поток, статистика капель (распределение по размерам, зависимость от скорости ветра).

Наибольшую неопределенность при этом имеет модель инжекции капли. Рассмотрены две модели инжекции капель в воздушный поток. В первой модели капли инжектируются с орбитальной скоростью волны (модель Кога [1]), а во второй – формируются за счет неустойчивости струй, возникающих при коллапсе всплывающих пузырьков [2]. Количество капель, инжектируемых в атмосферный пограничный слой с поверхности воды в единицу времени, задается функцией генерации брызг, предложенной в [3].

В рамках модели вычислен импульс, который приобретает каждая капля при взаимодействии с воздушным потоком. В зависимости от особенности поля скорости воздушного потока, параметров волны и радиуса капли она может в течение своего жизненного цикла от отрыва от поверхности воды до падения в воду как получать, так и отдавать импульс воздушному потоку. Вклад капель в баланс импульса воздушного потока определяется суммарным балансом импульса капель. Вычисления в рамках модели показали, что обмен импульсом с брызгами может приводить как к слабому (не более 10%) увеличению аэродинамического сопротивления поверхности, так и к слабому его снижению (в рамках модели Кога).

Работы выполнена при поддержке РФФИ (11-05-12047-офи-м, 13-05-00865-а, 12-05мол-а-вед, 12-05-31435 мол-а).

Список литературы 1. Koga M. Direct production of droplets from breaking wind-waves – its observation by a multi-colored overlapping exposure photographing technique // Tellus. 1981. V.33. Issue 6. P. 552Spiel D.E. On the birth of jet drops from bubbles bursting on water surfaces // J. Geophys.

Res. 1995. V.100. P. 4995-5006.

3. Andreas E. L. A new sea spray generation function for wind speeds up to 32 m s-1 // J.

Phys. Oceanogr. 1998. V. 28. P. 2175–2184.

Численный анализ поведения скелетной мышцы при воздействие Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет В последние годы в медицинской диагностике широкое применение находят акустические методы, например, ультразвуковая визуализация внутренних структур организма (сонография). Здесь возникает важная практическая задача об изучение сдвиговых свойств мягких биологических тканей (модули сдвига и сдвиговая вязкость), т.к. в отличие от модуля Юнга изменения модуля сдвига даже и для одной ткани достигают тысяч процентов, например, при росте опухоли или при обыкновенном сокращении мышц.

Измерение сдвиговых характеристик может быть использовано для диагностики мышечных патологий. Примером физиологического процесса, который важно характеризовать акустическими методами, является саркопения – уничтожение мышечных клеток при старении. Потенциальные области применения акустических методов включают также:

патологии, связанные с мышечной атрофией и дистрофией при невралгических заболеваниях, миопатиях, иммобилизации, длительном постельном режиме и т.п. [1,2].

В работе [1] основываясь на модели В.И. Дещеревского [2] была рассмотрена изометрически напряженная мышца. При этом масса внешней нагрузки, приводимой в движение сокращающейся мышцей, была положена равной нулю и на мышцу была подана изменяющаяся во времени нагрузка, направленная вдоль оси саркомера. Была получена система уравнений:

Здесь n, m – числа тянущих и тормозящих мостиков, (l) – число всех активных мостиков, зависящее от укорочения l половинки саркомера, P – приложенная к мышце внешняя сила. Константа k1 характеризует скорость замыкания свободных мостиков, k2 – скорость размыкания замкнутых мостиков, число активных мостиков, изменяющееся в процессе колебаний, обозначено как (l)=0l, где - константа укорочения саркомера.

В настоящей работе на основе решения уравнения (1) в случае k1 = 0, k2= k 0, который соответствует «медленной» реакции мышцы, такой, что время замыкания свободных мостиков k1-1 велико по сравнению со временем k2-1 и с характерной длительностью приложенной внешней нагрузки (для портняжной мышцы лягушки k2 3k 150 с-1) было проведено численное моделирование поведения скелетной мышцы и её реакции на различные виды ударов. В качестве примера приведен результат для начального импульсного воздействия в виде импульса Гауссовой формы и представлен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость укорочения половинки длины саркомера (нормированной на максимальное значение) от времени при различных величинах статического напряжения мышцы Ps.

Отметим, что точное стационарное решение для скелетной мышцы моделирует «быстрые» импульсные нагрузки длительностью меньше одной сотой доли секунды или периодические воздействия с частотами выше сотни Герц.

Работа выполнена при поддержке гранта Правительства РФ № 11.G34.31.0066.

Список литературы 1. Руденко О.В., Сарвазян А.П. Волновая биомеханика скелетной мышцы // Акуст.

Журн. 2006. Т. 52. № 6. С. 833-846.

2. Дещеревский В.И. Математические модели мышечного сокращения. М.: Наука.

1977.

Разработка методов когерентной сейсмоакустики для исследования миграции углеводородных газов и флюидов в морском дне Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Физический факультет, Университет Луизианы в Лафайете, США Исследования миграции углеводородных газов и флюидов в морском дне вызывают большой практический интерес, что связано с необходимостью предотвращения техногенных катастроф и экологических угроз, связанных с климатическими изменениями, а также с освоением морских ресурсов. Поскольку каналы миграции могут иметь форму как сети пространственно распределенных вертикально ориентированных микротрещин, так и локализованных вертикальных каналов различной формы и размеров, так называемых «газовых труб», они могут быть эффективно идентифицированы при сейсмоакустическом профилировании с повышенным разрешением. Особый интерес вызывает реконструкция нижней кромки газогидратных скоплений, а также оценка мощности газонасыщенных слоев путем оценки их нижних границ, которые могут залегать на глубинах 500-1000 метров.

Использование традиционных средств профилирования морского дна с помощью сейсмоакустических источников взрывного типа для решения указанных задач связано с трудностями, вызванными ограничениями мощности источников и малым разрешением при реконструкции. Перспективным методом для реконструкции неоднородностей морского дна, является метод, основанный на использовании буксируемых подводных комплексов с когерентными гидроакустическими излучателями и приемными решетками, а также на применении методов апертурного синтеза. Такой метод, за счёт когерентного пространственно-частотного и временного согласованного со средой накопления, позволяет обеспечить высокое разрешение при реконструкции газогидратных залежей и путей их миграции в необходимом для решения задачи интервале глубин. Для оценки возможностей метода когерентного сейсмопрофилирования была разработана физическая масштабная модель океана и морского дна с газогидратными слоями с системой акустического зондирования включающая сканируемые излучатель (частотный диапазон 102 – 103 кГц) и приемный гидрофон. С помощью физической модели исследована эффективность метода когерентного сейсмоакустического зондирования газогидратных скоплений морского дна с использованием синтеза апертур. Структура и особенности отражения зондирующих сейсмоакустических импульсов от малослоистого морского дна исследовалась также с помощью физико-математической и численной модели формирования сейсмоакустических когерентных импульсов, рассеянных газогидратными скоплениями и газонасыщенными слоями в дне в виде совокупности упругих слоев при их возбуждении из водной морской толщи и приеме горизонтально ориентированной решеткой гидрофонов. На основе численного и физического моделирования сформулированы требования к излучающей и приемной сейсмоакустической аппаратуре, разработаны алгоритмы реконструкции параметров газогидратных залежей и газонасыщенных слоев, а также создан макет сейсмоакустического излучателя с характеристиками, оптимизированными к разрабатываемому методу когерентного зондирования морского дна. В частности, измерения при физическом моделировании осуществлялись в гидроакустическом бассейне размером 3, x 0,7 x 0,7 м, оснащенный трёхкоординатными устройствами для автоматического перемещения приемно-излучающих систем, а также радиоэлектронным оборудованием.

В результате численного и физического моделирования разработан метод сейсмопрофилирования с повышенным разрешением, с помощью которого могут быть исследованы различного рода явления миграции углеводородных газов и флюидов в морском дне в районах, расположения месторождений углеводородов в Мексиканском заливе, а также Каспийском, Баренцевом и Черном морях. Показано, что измерения необходимо осуществлять при подводной буксировке приемно-излучающего комплекса.

Буксируемый подводный комплекс должен состоять из закрепленного на гидросамолете, работающего в частотном диапазоне 150-700 Гц когерентного гидроакустического излучателя и буксируемой горизонтально ориентированной приемной решетки из 25- цифровых гидрофонов. Излучатель должен буксироваться так, что бы его расстояние от поверхности морского дна было не менее одной длины волны на средней частоте излучения.

При зондировании необходимо возбуждать сложно модулированные импульсы в различных частотных интервалах. Длина импульсов должна составлять величину от 0,1 до 0,5 сек.

Мощность излучения должна быть порядка 100300 Вт, так, что бы в различных частотных диапазонах, отношение полезного, отраженного от дна сигнала к шумам и помехам при измерениях составляло от –15 до –5 дБ. Период повторения излучаемых импульсов должен не менее 2 секунд. При измерениях наблюдаемых импульсных сигналов должна осуществляться согласованная фильтрация и накопление импульсов.

федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.B37.21.0883 от «07» сентября 2012 г.).

в лаборатории экстремальных световых полей (ELSA Lab) Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Появление мощных фемтосекундных лазеров открыло возможности для генерации импульсов рентгеновского излучения длительностью всего лишь в сотни и даже десятки аттосекунд (1 ас = 10–18 с) [1, 2]. Такие импульсы позволяют исследовать процессы, происходящие на недостижимых ранее временных масштабах, сравнимых с характерным временем движения электронов в атомах (24 ас). Наиболее эффективным на сегодня способом получения аттосекундных импульсов является генерация высоких гармоник лазерного излучения в газах, происходящая при ионизации атома лазерным излучением с последующей рекомбинацией электрона с родительским ионом [3].

В рамках мегагранта Правительства РФ «Источники экстремальных световых полей и их приложения» в ННГУ под руководством Жерара Муру создана лаборатория по изучению экстремальных световых полей, одной из задач которой является развитие методов получения и использования импульсов электромагнитного излучения аттосекундной длительности. В лаборатории установлена уникальная лазерная система, включающая в себя титан-сапфировые задающий генератор и многопроходовый усилитель, компрессор на полом волокне и систему стабилизации фазы заполнения лазерного импульса относительно огибающей. Данная система позволяет получать импульсы с центральной длиной волны нм, длительностью 5 фс, энергией 1 мДж и частотой повторения 3 кГц. В настоящий момент создается аттосекундная часть установки, включающая в себя вакуумное и измерительное оборудование (см. рис. 1). Первая из вакуумных камер предназначена для генерации высоких гармоник лазерного излучения. Для этой цели в камере установлен специально спроектированный натекатель газа (неона). Лазерное излучение фокусируется в неоновую струю с помощью сверхширокополосного зеркала. Вторая камера используется для дополнительной откачки вакуумного объема с целью минимизации поглощения высоких гармоник. Также в этой камере устанавливаются спектральные фильтры для удаления нежелательного оптического излучения и компенсации частотной модуляции аттосекундного импульса. В третьей камере собран рентгеновский спектрометр плоского поля. Для регистрации спектров используется детектор на микроканальных пластинах («МКП» на рис. 1). При выводе дифракционной решетки из пучка МКП-детектор позволяет регистрировать пространственное распределение рентгеновского излучения. В четвертой камере будет реализована схема аттосекундного стрикинга, в которой электрическое поле лазерного импульса используется в качестве развертки для электронов, вылетевших из атомов газа в результате ионизации аттосекундным импульсом. Регистрируемое времяпролетным спектрометром распределение электронов по скоростям позволяет получить временной профиль аттосекундного импульса.

800 нм, 1 мДж, Рис. 1. Схема экспериментальной установки для генерации аттосекундных импульсов.

С помощью созданной экспериментальной установки будут апробированы новые подходы к увеличению эффективности генерации аттосекундных импульсов, например, при нарушении симметрии газовой среды за счет воздействия на нее терагерцовым импульсом [4]. Планируется серия экспериментов по применению аттосекундных импульсов для изучения сверхбыстрых переходов в атомах и молекулах, в том числе биологических.

Список литературы 1. Krausz F., Ivanov M., Attosecond physics // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. P. 163–234.

2. Corkum P.B., Krausz F., Attosecond science // Nature Phys. 2007. V. 3. P. 381–387.

3. Corkum P.B., Plasma perspective on strong-field multiphoton ionization // Phys. Rev.

Lett. 1993. V. 71. P. 1994–1997.

4. Balogh E., Kovacs K., Dombi P. et al. Single attosecond pulse from terahertz-assisted high-order harmonic generation // Phys. Rev. A. 2011. V. 84. P. 023806.

Электроны в висмуте на кремнии как новый топологический изолятор Физический факультет, Нижегородский государственный университет Развитие наноэлектроники и спинтроники в последние годы ставит задачи по обнаружению принципиально новых классов материалов, с устойчивыми к возмущениям и дефектам свойствами носителей заряда и спина. Одним из таких классов материалов являются разнообразные твердотельные системы, называемые топологическими изоляторами (ТИ). В ТИ спектр краевых (поверхностных или одномерных граничных) состояний электронов или дырок располагается в области запрещенной зоны для объёмных состояний, а сами краевые состояния обладают устойчивостью по отношению к различным возмущениям, не нарушающим симметрии по отношению к инверсии времени (TRсимметрию), и потому носящую качественный, топологический характер [1].

В докладе представлена модель краевых состояний для нового материала с предполагаемыми свойствами ТИ: двумерного электронного газа на поверхности Bi/Si в системе с геометрией полосы конечной ширины. Обнаружено, что в данной системе существуют киральные краевые состояния с энергиями в области запрещённой зоны объёмного материала вблизи уровня Ферми, устойчивые к рассеянию. Волновые функции таких состояний представляют собой двухкомпонентные спиноры, которые характеризуются волновым вектором с направлением вдоль границы, отвечающим бегущим в этом направлении волнам, и локализации в поперечном направлении.

Рис.1. Абсолютные значения пфаффиана в зоне Бриллюэна для двумерного электронного газа на поверхности Известно, что стабильность краевых состояний в ТИ обеспечивается определенными топологическими свойствами объемных состояний. В частности, система может быть ТИ, если целое число, называемое Z2 инвариантом, отличается от нуля. Есть несколько способов для его расчета. В нашей работе используется метод, предложенный в работе [2], которая связывает Z2 инвариант с нулями пфаффиана для межзонных матричных элементов оператора обращения времени. Наши расчёты показали, что модуль пфаффиана (рис.1.) имеет три пары нулей в углах зоны Бриллюэна, причём их наличие устойчиво к изменениям параметров структуры. В соответствии с классификацией индекс Z2 в этом случае является нечетным, поэтому электронный газ на поверхности Bi/Si может рассматриваться как новый ТИ. В докладе также обсуждаются транспортные свойства краевых состояний и возможные пути их экспериментального исследования и приложения в спинтронике.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 13-02000717а, 13-02-00784а).

Список литературы 1. Hasan M.Z. and Kane C.L. Colloquium: Topological insulators // Rev. Mod. Phys. 2010.

V.82. p.3045; Qi X-L and Zhang S-C. Topological insulators and superconductors // Rev. Mod.

Phys. 2011. V.83. Р. 1057 (2011).

2. Kane C.L. and Mele E.J. Z2 Topological Order and Quantum Spin Hall Effect // Phys.

Rev. Lett. 2005.V.95 p.146802; Kane C.L. and Mele E.J. Quantum Spin Hall Effect in Graphene // Phys. Rev. Lett. 2005. V.95. Р. 226801.

Применение ТГц спектроскопии высокого разрешения для исследования Радиофизический факультет, Нижегородский государственный университет Одним из актуальных направлений в медико-биологических исследованиях являются задачи, связанные с изучением спектров биологических молекул, а также с разработкой и применением методов, позволяющих получить наиболее точную информацию об их спектре.

Наибольший интерес представляют спектры биомолекул в ТГц диапазоне, поскольку именно в этом диапазоне находятся частоты колебаний связей, ответственных за агрегацию молекулы в определенную структуру. Для решения некоторых задач ТГц спектроскопии (например, определение конформационного состояния) требуется представление о «тонкой»

структуре спектров поглощения биомолекул, что налагает жесткие требования на характеристики прибора, который должен обеспечивать высокое спектральное разрешение (не хуже десятков МГц) и высокую чувствительность. Современные широко используемые методы ограничены спектральным разрешением порядка нескольких ГГц и сравнительно небольшой чувствительностью.

Целью данной работы стало детальное исследование спектра ДНК с применением метода ТГц спектроскопии, позволяющего разрешить сложную структуру спектров биомолекул.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки.

Рис. 2. Участок спектра поглощения ДНК в диапазоне 304-307 ГГц, интенсивность поглощения в отн.ед., пики поглощения отмечены стрелками. Вместо одной широкой полосы видна группа узких интенсивных полос поглощения, соответствующих собственным колебаниям в молекулах ДНК определенной конформации.

В работе использовалась установка с источником излучения на основе лампы стабильностью сигнала, высокой чувствительностью и предельным спектральным разрешением 100 кГц.

С помощью данной установки были проведены эксперименты по измерению спектра поглощения образцов ДНК различных концентраций в частотном диапазоне 300-320 ГГц со спектральным разрешением 50 МГц, что позволило различить структуру спектра ДНК, недоступную для традиционных спектрометров ТГц диапазона, регистрирующих лишь огибающую реальной спектральной характеристики. В рамках работы были определены и идентифицированы наиболее интенсивные полосы поглощения ДНК. В результате анализа экспериментальных данных было установлено соответствие обнаруженных групп интенсивных полос поглощения как собственным колебаниям в молекуле ДНК, так и колебаниям связей ДНК с подложкой.

Работа выполнена при поддержке гранта Правительства РФ № 11.G34.31.0066.

Список литературы 1. Vaks V.L. High-precise spectrometry of the terahertz frequency range: the methods, approaches and applications. // International Symposium “Terahertz Radiation: Generation and application”. 2010. July 26-29. Novosibirsk, Russia. - Digest reports, Р. 29.

2. Цуркан М.В., Балбекин Н.С., Собакинская Е.А., Панин А.Н., Вакс В.Л.

Исследование спектра ДНК методами ТГц спектроскопии. // Оптика и спектроскопия. 2013.

Т.114, № 6, С. 981–986.

Моделирование механических напряжений в структурах Ge/Si Физический факультет, Нижегородский государственный университет Наноструктуры на основе германия на кремнии привлекают внимание технологов, ввиду больших успехов в создании новых перспективных приборов с использованием квантовых эффектов [1]. Появляются возможности создавать светоизлучающие и фотоприёмные кремний-германиевые устройства, позволяющие кремниевой технологии успешно конкурировать с традиционно оптоэлектронными материалами, такими как А3В5.

Особый интерес исследователей прикован к направлению, связанному с использованием полупроводниковых материалов на основе твердых растворов SixGe1-x, содержащих кластеры Ge нанометровых размеров (квантовые точки), встроенные в матрицу кремния.

Вследствие разницы в параметрах решёток в 4% в данных системах возникают механические напряжения, и их пространственное распределение влияет на оптические и электронные свойства данных систем. По этой причине прогнозирование является важной теоретической задачей.

Целью данной работы являлась разработка методики моделирования напряжений в гетероэпитаксиальных структурах Ge/Si методом молекулярной динамики и изучение особенностей распределения напряжений в системе с одной и двумя квантовыми точками SiGe в матрице Si.

Расчеты в работе производились на высокопроизводительном кластере ННГУ с пиковой производительностью 3 Тфлопс с использованием свободно-распространяемого программного пакета LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) методам молекулярной динамики. Программный пакет LAMMPS был перекомпилирован под ОС Windows для использования Microsoft Messaging Passing Interface (Microsoft MPI) с оптимизацией под архитектуру Intel 64 путем применения компилятора Intel (icc). Это позволило увеличить производительность почти в 2 раза. Размер моделируемой системы достигал 107 атомов, моделируемый период времени до 1 нс.

В работе моделировалась система с одним и двумя куполообразными квантовыми точками Ge (высота 7 нм, диаметр основания – 50нм) в матрице Si. Размеры моделируемой области во всех экспериментах оставались постоянными: высота, ширина Для описания взаимодействия между составляющими частями использовался потенциал Терсоффа [2], контроль температуры производился методом Нозе-Хувера, минимизация энергии описывалась методом сопряженных градиентов Полака-Рибьера.

Расчёт напряжений производился исходя из вириального представления [3]. Анализ данных производился в специально разработанном программном обеспечении для обработки данных моделирования.

Были получены карты распределений компонент тензора напряжений, исследована диффузия атомов кремния и германия в объеме структуры. Напряжения, рассчитанные в моделируемой структуре, варьировались от 0.8±0.5 до 1.1±0.5 ГПа, что соответствует по порядку величины экспериментально измеренным напряжениям в структурах подобного типа.

Было показано, что в системе, состоящей из нескольких островков Ge (квантовых точек), напряжения в островке Ge по направлении [001] растут от островка к островку. В самом объёме островков кремний практически не изменяется, однако на границе претерпевает серьёзную деформацию, которая проявляется в растяжении параметра решётки.

В объёме германия наблюдается уменьшение параметра решётки в латеральном направлении и остаётся практически неизменным параметр решётки в перпендикулярном направлении (направлении роста).

Список литературы 1. Hermann G. Grimmeiss Silicon-germanium – a promise into the future. // Физика и техника полупроводников, 1999. С. 1032-1034. Т. 33.

2. Tersoff J. Modeling solid-state chemistry: Interatomic potentials for multicomponent systems. // Physical Review B. 1988. V. 39. P. 5566–5568.

3. Tsai D. H. The virial theorem and stress calculation in molecular dynamics. // J. Chem. Phys., 1979, V. 70. P. 1375-1382.

Секция «Химия, новые материалы и технологии»п, UID Секция «Химия, новые материалы и технологии»

Синтетические методы получения полимерных пространственнозатрудненных пирокатехинов и о-бензохинонов Федеральное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской Академии Наук, Н. Новгород, Россия Пространственно-экранированные пирокатехины и их окисленная форма обензохиноны являются одним из типов редокс-активных лигандов, способных претерпевать обратимые окслительно-восстановительные превращения в координационной сфере металла.

На их основе были впервые получены комплексы непереходных металлов, обратимо присоединяющие молекулярный кислород (катехолатные комплексы Sb(V)) [1]; редоксизомерные комплексы (Co, Rh и др.) [2], и др. Переход от эффектов, наблюдаемых в растворе для мономолекулярных комплексов к получению материала, обладающими теми же функциональными свойствами, является актуальной задачей полимерной химии, а именно химии металлосодержащих полимеров.

Существует два основных подхода к синтезу металлосодержащих полимеров:

координация металла на полимерный лиганд или полимеризация металлосодержащего мономера. Обычно полимеризация металлосодержащего мономера малоэффективна, поэтому много внимания уделяется первому методу синтеза, а именно получению полимерного лиганда. В данной работе мы рассматриваем два принципиальных метода синтеза поли- и олигомерных пирокатехиновых/о-хиноновых лигандов – полимеризацию охинонсодержащих мономеров и возможность прививки пространственно-затрудненных пирокатехиновых фрагментов к полимерной цепи.

малоэффективными ингибиторами свободно-радикальной полимеризации, что позволило получать полимерные звеньев) о-хиноны методом свободно-радикальной полимеризации с выходом более 75% [3]. В полимере о-хиноны сохраняют свои свойства:

способны к реакциям восстановления, окислительного присоединения, обмена лигандами и др. Показано, что полимерные катехолаты трифенилсурьмы (V) способны присоединять молекулярный кислород как в растворе, так и в пленке (до 90% от теоретически возможного объема кислорода). Полученная полимерная пленка способна обратимо поглощать O2 и выдерживает до 5 циклов абсорбции-десорбции молекулярного кислорода.

Однако у полученных полимерных о-хинонов есть ряд недостатков – они легко гидролизуются с отрывом от полимерной цепи как в кислой, так и в щелочной среде [4];

являются электрон-донорными о-хинонами, что не позволяет эффективно их использовать для получения о-семихиноновых комплексов по реакции обмена лигандами; суммарный выход (при пересчете на стартовый 3,6-ди-трет-бутил-о-бензохинон) составляет менее 35%.

Повысить суммарный выход полипирокатехинов можно, используя структурный блок, содержащий пространственно-экранированный пирокатехиновый фрагмент и эффективные реакции модификации полимерной цепи, например, реакции конденсации.

полученный из доступного 3,5-ди-трет-бутилпирокатехина. Данное соединение эффективно вступает в реакции конденсации с алифатическими и ароматическими аминами с образованием оснований Шиффа и гидразинами различной природы, что позволяет с количественным выходом вводить два и более фрагмента пространственно-экранированного пирокатехина в одну молекулу.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта НШ-1113.2012.3 и программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

ГК_8460 от 31.08.2012 и программа «Целевой аспирант» соглашение (контракт № 14.132.21.1462 от 01.10.2012).

Список литературы 1. Cherkasov V.K., Abakumov G. A., Grunova E. V., Poddel’sky A. I., Fukin G. K., Baranov E. V., Kurskii Y. V., Abakumova L. G. // Chem. Eur. J. 2006. V. 12. P.3916–3927.

2. Sato O., Tao J., Zhang Y.Z., Control of Magnetic Properties through External Stimuli // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. P. 2152–2187.

3. Arsenyev M. V., Poddel’sky A.I, Shurygina M.P., Druzhkov N.O., Chesnokov S.A., Fukin G.K., Cherkasov V.K., Abakumov G.A. // Journal of Polymer Research. 2013. V. 20. P. 98.

4. Шурыгина М.П., Дружков Н.О., Арсеньев М.В., Бубнов М.П., Фукин Г.К., Чесноков С.А., Черкасов В.К. // Журн. органической химии. 2011. Т. 47. № 4. С. 490-498.

Разработка новых полимерных композиций медико-биологического К.В. Апрятина1), Л.А. Смирнова1), А.Е. Мочалова1), А.С. Корягин2) Химический факультет, Нижегородский государственный университет Биологический факультет, Нижегородский государственный университет В жизни человека часто происходят ситуации, при которых у него возникают открытые повреждения, сопровождающиеся кровотечением. Целью работы явилось создание полимерных композиций, обладающих эффективными антибактериальными, кровоостанавливающими и ранозаживляющими свойствами. Для их создания перспективно использование природного полисахарида хитозана.

Хитозан был выбран благодаря своим уникальным свойствам [1]. Его составляющие близки по строению и свойствам к клеткам тканей человеческого организма. Известно, что хитозан обладает антимикробной активностью и способствует регенерации тканей - он активизирует заживление ожоговой и раневой поверхности без образования рубцов, так как стимулирует рост коллагеновых волокон кожи, обеспечивающих эластичность кожных покровов. Биологически активные макромолекулы хитозана могут быть с успехом использованы в качестве матриц-носителей питательных веществ, лекарственных средств, металлов в ионной форме и их наночастиц. Введение наночастиц серебра в состав композиции позволяет наделить ее выраженными противомикробными свойствами.

Наночастицы серебра, благодаря своей уникальной морфологии, оказывают эффективное бактерицидное действие даже при низких концентрациях.

Для того чтобы придать композиции эффективный кровоостанавливающий эффект, был проведен анализ имеющихся литературных данных по механизму свертываемости крови и выбран объект исследования – один из важнейших агентов этого процесса - ионы кальция, необходимые для образования тормбина, который превращает растворимый белок фибриноген в нерастворимый фибрин (тромб) [2]. Кроме того, ионы кальция являются связующими мостиками между белковыми компонентами и клеточными мембранами, за счет которых происходит первоначальное ориентирование факторов свертывания крови на фосфолипидной поверхности, и в результате конформации белковых молекул открываются активные центры, на которых проходят ферментативные реакции гемостаза.

Рис. 1. Динамическое равновесие систем свертывания крови и фибринолиза:

1 – стенка; кровеносного сосуда; 2 – повреждение стенки сосуда; 3 – тромбоциты; 4 – адгезия и агрегация Результаты проведенных опытов in vitro и in vivo показали, что композиция на основе хитозана, содержащая ионы кальция, обеспечивает свертываемость крови в течение 40 с.

Полисахарид выступает в качестве энергетического и пластического материала при эпителизации раны и выполняет функцию матрицы – своеобразного аналога бислоя мембраны клеток крови и их фрагмента - тромбоплатина. Выявлено существенное влияние природы кислоты на кровоостанавливающие способности композиций на основе хитозана.

Также были проведены исследования ранозаживляющих свойств композиций.

Наблюдение за экспериментальными животными показало, что на ранах, обработанных данной композицией, формирование эпителиального покрова происходило в два раза быстрее и без инфицирования в сравнении с интактными животными.

Таким образом, был разработан новый материал на основе природного полисахарида хитозана, обладающий эффективными антибактериальными, кровоостанавливающими и ранозаживляющими свойствами, способный применяться при оказании экстренной медицинской помощи и самопомощи, а также в качестве покрытия полостных катетеров, эндопротезов и основы для создания энтеросорбентов.

Список литературы 1. Dash M., Chiellini F., Ottenbrite R.M. // Progress in Polymer Science. 2011. V. 36. P.

981-1014.

2. Физиология человека / Под ред. Покровского В.М., Коротько Г.Ф. М.: Медицина, 1997. Т. 1. 448 с.

Комплексный подход к исследованиям в химии: от синтеза вещества до его Научно-образовательный центр коллективного пользования «Новые химические материалы и технологии», Нижегородский государственный университет Химический факультет, Нижегородский государственный университет неорганическая, органическая, физическая и аналитическая химии. Ввиду такой дифференциации представители каждой из областей этой науки очень часто замыкаются в их узких рамках. Это приводит к тому, что «неорганики» и «органики» синтезируют вещества, «аналитики» анализируют их состав, а «физхимики» изучают физико-химические свойства соединений. Такой подход к исследованиям не всегда эффективен: на физико-химические свойства соединений большое влияние оказывают, например, образовавшиеся в процессе синтеза примеси или размер частиц, обусловленный методом получения объекта исследования, а незнание «истории» объекта исследования может привести к неправильной интерпретации полученных при исследовании его свойств данных. Кроме того, не стоит доверять поиск возможного практического применения химического соединения (или материала на его основе) тому, кто имеет о нем представление только в виде цифр и формул на бумаге – это также задача исследователя.

Рассмотрим такой подход на конкретном примере. На кафедре химии твердого тела химического факультета ННГУ изучаются минералоподобные неорганические соединения.

Около 7 лет назад объектом исследования стали соединения со структурой минерала апатита.

Данные вещества имеют следующую общую формулу: (MII(1))4(MII(2))6(AVO4)6L2 (MII = Ca, Sr, Ba, Cd, Pb; AV = P, As, V, Mn, Cr; L = OH, F, Cl, Br, I).

Благодаря большому разнообразию химических составов, а также высокой изоморфной емкости соединения со структурой апатита имеют большой спектр областей применения: минеральное сырье, материалы для лазерной оптики, твердотельные топливные ячейки и др. Но одним из наиболее интересных приложений апатитов является создание на их основе биокерамических имплантатов. Ввиду того, что гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH практически идентичен минеральной составляющей костной ткани человека, его активно используют как основу при изготовлении костных имплантатов и биологически активных добавок.

В рамках исследовательских работ, посвященных классу апатитов, был в том числе подобран оптимальный метод синтеза гидроксиапатита, позволивший как снизить его себестоимость за счет уменьшения затрат на исходные реактивы и оборудование, так и получить вещество с наноразмерными частицами. Размеры частиц была подтверждена нами микроскопическими и рентгенографическими методами. Наноразмерность вещества оказалась мешающим фактором при его идентификации рентгенографическим методом [1, 2].

Кроме того, после отработки технологии получения гидроксиапатита в лабораторных условиях, было принято решение оптимизировать ее под промышленные нужды. Для этого, с одной стороны, ведутся работы по воспроизведению синтеза в полупромышленном реакторе, с другой - рассматривается возможность получения гидроксиапатита в микрореакторах.

Биологическая активность вещества была проверена на модели in vitro при взаимодействии его с культурой диплоидных фибробластов [3]. Исследования показали, что синтезированный нами гидроксиапатит не токсичен. Более того, наблюдается концентрация клеток вокруг мелких образцов препарата, что свидетельствует о возможности повышения адгезии клеток на этом веществе, что, возможно, связанно с наличием в гидроксиапатите натрия в следовых количествах, что в свою очередь обусловлено методикой синтеза.

В настоящее время технологией получения наноразмерного биосовместимого гидроксиапатита заинтересовалась крупная стоматологическая компания. Речь идет о добавлении вещества в средства по уходу за полостью рта с целью стимулирования процессов восстановления зубной эмали. Таким образом, была проведена комплексная последовательная работа: от синтеза вещества до его непосредственного практического применения.

1. Knyazev A.V., Chernorukov N.G., Bulanov E.N. // Materials Chemistry and Physics.

2012. V. 132. P. 773-781.

2. Knyazev A.V., Bulanov E.N., Vlasova E.V. // Inorganic Materials: Applied Research.

2012. Vol. 3. No. 3. P. 417-420.

3. Князев А.В., Буланов Е.Н., Алейник Д.Я.. Чарыкова И.Н., Земсков А.Е., Калентьев А.В. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2012. № 5.

С. 88-94.

Новый эффективный способ пробоподготовки воды при Химический факультет, Нижегородский государственный университет Определение токсикантов в воде было и остается важной аналитической задачей, так как качество питьевой воды значительно влияет на состояние здоровья человека. Согласно беспороговой концепции ПДК, многие токсиканты необходимо определять на уровне ниже предельно допустимых значений. Прямое определение не позволяет контролировать вещества на таком уровне, поэтому применяют различные методы предварительной пробоподготовки с концентрированием. В последнее время активно развиваются методы жидкофазного микроэкстракционного концентрирования, поскольку они имеют ряд серьезных преимуществ над традиционной жидкостной макроэкстракцией.

Первоначально использовали капельный и мембранный методы жидкостной микроэкстракции. Эти методы имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что скорость переноса вещества в растворитель лимитируется малой поверхностью массообмена, это приводит к достижению неравновесных коэффициентов концентрирования или продолжительному эксперименту, достигающему часов. Указанные недостатки устраняются в случае применения жидкостной микроэкстракции с диспергированием экстрагента, отличительной особенностью которой является резкое увеличение поверхности массообмена диспергированием капли в частицы субмикронного размера, в результате чего равновесие устанавливается не более, чем за минуту. Диспергирование можно проводить, используя органическое вещество-диспергент, растворимое в воде и органическом экстрагенте, но для этого случая характерно снижение эффективности концентрирования за счет увеличения растворимости примесей в водной фазе. Применение ультразвука для диспергирования устраняет этот недостаток.

концентрирование важнейших токсикантов эфиров о-фталевой кислоты из воды с Секция «Химия, новые материалы и технологии»п, UID ультразвуковым диспергированием и применением экстрагента с плотностью меньшей, чем у воды. Концентрирование проведено на примере эфиров о-фталевой кислоты, являющихся наиболее распространенными пластификаторами полимеров. Диалкилфталаты способны вызывать ряд очень серьезных заболеваний, в том числе онкологические.

В качестве экстрагентов в настоящей работе использовали н-октан, толуол, изооктан, гексан, гептан – растворители с меньшей, чем у воды плотностью. Для облегчения сбора «легкого» экстракта с поверхности воды нами разработан способ капиллярного выделения экстракта. Для этого в центрифужную пробирку, верхняя часть которой выполнена в виде узкого капилляра, вводили 10 мкл экстрагента. Далее, смесь в течение 4 минут подвергали ультразвуковому облучению мощностью 35 Вт в ультразвуковой ванне GAOYUE 3560.

Частота ультразвукового излучения составляла 42 кГц. Центрифугирование осуществляли в течение 3 минут при скорости вращения ротора центрифуги 6000 об/мин. Экстракт скапливался в капилляре, из которого экстракт отбирали микрошприцем на последующий хромато-масс-спектрометрический анализ.

В связи с широкой распространенностью о-фталатов при их определении могут возникать систематические погрешности, приводящие к неправильному результату анализа.

Нами были выявлены источники, формирующие систематические погрешности газохроматографического определения этих соединений: недостаточная чистота растворителей (для очистки растворителей нами использован метод рэлеевской дистилляции со скоростью испарения 6·10-4 г·см-2·с-1); поступление о-фталатов из пластифицированных деталей лабораторной техники и посуды (в связи с чем мы используем стеклянные ампулы с притертыми стеклянными, фторопластовыми или полиэтиленовыми пробками). Эти факторы могут привести к завышению результата определения в 1000 раз. Гидролитическая неустойчивость о-фталатов может привести к занижению результатов определения (в результате наших исследований установлено, что хранить водные образцы можно не более трех суток после отбора пробы, так как после этого происходит статистически значимое (20% и более) уменьшение концентрации диалкилфталатов в воде).

С учетом исследованных факторов, влияющих на надежность анализа нами разработано хромато-масс-спектрометрическое определение о-фталатов с ультразвуковым диспергированием экстрагента. Достигнуты коэффициенты концентрирования пяти приоритетных диалкилфталатов из воды в интервале 60310, а также пределы их обнаружения 3·10-66·10-6 мг/л. Реализованные пределы обнаружения на 2 – 6 порядков ниже ПДК и не уступают лучшим мировым результатам, что говорит о высокой эффективности разработанного способа пробоподготовки воды с ультразвуковым диспергированием экстрагента.

Секция «Химия, новые материалы и технологии»п, UID Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта РФФИ (№ проекта 11-03а).

Контролируемая радикальная сополимеризация стирола с акриловой Химический факультет, Нижегородский государственный университет Наиболее эффективным, простым и универсальным приемом псевдоживой радикальной полимеризации, позволяющим синтезировать полимеры с заданной молекулярной массой и узким молекулярно-массовым распределением, является полимеризация по механизму обратимой передачи цепи (ОПЦ). Применение этого метода открывает широкие возможности для осуществления макромолекулярного дизайна и позволяет получать специфические материалы с богатыми функциональными возможностями – блок-сополимеры, звездообразные, гребнеобразные полимеры.

Настоящая работа посвящена исследованию радикальной сополимеризации стирола с акриловой кислотой в присутствии бензилдитиобензоата по механизму обратимой передачи цепи (ОПЦ). Полимеризация проводилась в растворе диоксана в широком диапазоне концентраций агента ОПЦ. Показано, что среднечисленная молекулярная масса сополимеров линейно повышается с конверсией, сополимеры характеризуются низкими значениями параметров полидисперсности, что свидетельствует о протекании сополимеризации по псевдоживому механизму. Обнаружен ярко выраженный случай реализации эффекта избирательной сорбции – на примере псевдоживой сополимеризации стирола с акриловой кислотой в присутствии полимерного ОПЦ агента – полиакриловой кислоты.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-03-00782-а).

Структура и тепловое расширение серосодержащих апатитов Химический факультет, Нижегородский государственный университет Секция «Химия, новые материалы и технологии»п, UID Соединения с общей формулой (M(1))6(M(2))4(AO4)6L2 (M (1) = Li, K, Na, Rb, Cs; M (2) = Ca, Sr, Ba, Cd, Pb; A = P, As, V, Mn, Cr, S; L = OH, F, Cl, Br, I) являются объектами геохимии и биохимии. Материалы со структурой апатита обладают уникальными свойствами и могут быть использованы в различных областях в качестве катализаторов, датчиков, ионных обменников и биосовместимых материалов.

Синтез новых химических соединений и твердых растворов, в особенности рост монокристаллов, и применение новых функциональных материалов при повышенных температурах требуют знания их кристаллической структуры, характеристик термических фазовых и структурных преобразований и других термических свойств вещества в широком интервале температур [1].

В связи с вышесказанным прогнозирование поведения при эксплуатации апатитных материалов в условиях сильно изменяющихся внешних воздействий таких как, в первую очередь изменение температуры, является актуальной задачей. Данная информация важна как в случае биокерамик, у которых сильно варьируются температуры изготовления и использования, так и в случае матриц для иммобилизации радиоактивных отходов, подвергающихся сильным изменениям температуры в природной среде.

В соединении состава Na3Cd2(SO4)3Cl и Na3Ca2(SO4)3F обнаружены фазовые переходы в узком интервале температур 573-923 K, тогда как в соединении Na3Pb2(SO4)3Cl от 298 К до температур плавления полиморфизм отсутствует.

Нами проведена расшифровка структуры состава Na3Cd2(SO4)3Cl, а также выполнено исследование теплового расширения всех изученных соединений со структурой апатита. Для этого зависимости параметров элементарных ячеек аппроксимировали линейными или квадратичными функциями. Затем по полученным коэффициентам функций в программном комплексе DTC [2] рассчитывали непосредственно сами коэффициенты.

На основании рассчитанных линейных коэффициентов теплового расширения были построены фигуры коэффициентов теплового расширения при различных температурах, наглядно демонстрирующие приоритетные направления при тепловом расширении и его анизотропию.

В поведении структуры наиболее чувствительным к температуре является направление, совпадающее с кристаллографической осью с, что связано с большей прочностью химических связей в слоях, формируемых тетраэдрами SO42-, в сравнении с межслоевыми взаимодействиями.

Кроме того, стоит отметить, что в области полиморфного перехода объемный коэффициент теплового расширения увеличивается в 2-3.5 раза.

Несмотря на то, что большинство высокотемпературных модификаций имеют симметрию выше, чем у низкотемпературных [3], в апатитах наблюдается обратная ситуация.

Вследствие существенной анизотропии теплового расширения, из-за слоистого характера структуры, понижение симметрии способствует выравниванию коэффициентов теплового расширения, а, следовательно, и изменению длин связей в структуре при нагревании, что приводит к повышению термической устойчивости структуры.

Отдельно стоит отметить обнаружение явления отрицательного теплового расширения. Отрицательные значения линейных коэффициентов теплового расширения также могут быть объяснены уменьшением отклонения длин связей Сd-О в полиэдре от среднего значения, очевидно, это приводит к удлинению одних и укорачиванию других связей, что, в конечном итоге, является причиной одновременного уменьшения и увеличения линейных параметров элементарной ячейки.

серосодержащих соединений со структурой апатита при нагревании в зависимости от состава.

Список литературы 1. Бубнова Р.С., Филатов С.К. Высокотемпературная кристаллохимия боратов и боросиликатов. СПб.: Наука, 2008. 760 с.

2. Белоусов Р.И., Филатов С.К. // Физика и химия стекла. 2007. Т. 33. № 3. С. 377-382.

3. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ, 1987. 275 с.

Синтез и физико-химическое исследование ферроэлектриков Химический факультет, Нижегородский государственный университет Висмут-содержащие ферроэлектрики со слоистой структурой (BLSF), впервые описанные Ауривиллиусом, в последнее время привлекают все большее внимание исследователей. Общую формулу подобных соединений можно записать в виде Аm-1Bi2BmO3m+3, где m обычно варьируется от 1 до 5. В качестве А чаще всего выступают Секция «Химия, новые материалы и технологии»п, UID одно-, двух- и трехвалентные катионы или их комбинации с КЧА> 6, а в качестве В обычно выступают переходные элементы с октаэдрической координацией (КЧВ = 6). Структуры этих стехиометрических соединений построены из пакетов и блоков. Висмут-содержащие ферроэлектрики со слоистой структурой (BLSF) характеризуются низкой диэлектрической проницаемостью, высокими температурами Кюри, низкими температурными коэффициентами резонансной частоты, сильно анизотропными электромеханическими коэффициентами связи и низкими скоростями старения. Правильная структура кристаллов фаз Ауривиллиуса, в силу своего слоистого характера, имеет тетрагональную сингонию с пространственной группой I4/mmm. Однако очень много соединений данного семейства имеют более низкую симметрию элементарной ячейки вследствие ротационного искажения структуры. Тем не менее, большинство искаженных структур при нагревании претерпевают фазовые переходы, в результате которых, как правило, наблюдается увеличение симметрии элементарной ячейки и стремление фазы Ауривиллиуса к своему “идеальному” строению.

Для соединений с m3 нами синтезированы низкотемпературные (LT) ромбические модификации, тогда как для фаз с m>3 получены высокотемпературные (HT) тетрагональные модификации. Последние, вследствие релаксационно-подобного ферроэлектрического поведения, крайне медленно при охлаждении переходят в низкотемпературные модификации. С помощью дифференциальной сканирующей калориметрии определены температуры фазовых переходов и температуры плавления полученных соединений.

Фазовые переходы в фазах Ауривиллиуса можно классифицировать на 3 типа: 1) обратимые переходы II рода, связанные со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества и поведение; 2) медленно обратимые переходы II рода, которые также имеют температуру Кюри, и подобное явление называется релаксационно-подобное ферроэлектрическое поведение; 3) необратимые переходы I рода связанные с изменением структурного типа.

Методом высокотемпературной рентгенографии определены температурные зависимости параметров элементарной ячейки и коэффициенты теплового расширения для всех синтезированных соединений. Нами обнаружено, что в фазах Ауривиллиуса коэффициенты теплового расширения вдоль слоевых параметров больше чем вдоль межслоевого параметра, и эти различия наиболее ощутимы в LT модификациях. Следует отметить, что в фазах Ауривиллиуса с увеличением количества октаэдров в пакете анизотропия теплового расширения уменьшается. Таким образом, проведено исследование пяти фаз Ауривиллиуса, установлены механизмы фазовых переходов в них и определены температуры Кюри.

Термодинамика органических соединений сурьмы(V) Химический факультет, Нижегородский государственный университет Синтез и исследование свойств органических соединений высокоординированной сурьмы представляет актуальную задачу, т.к. они нашли применение в качестве катализаторов и реагентов в тонком органическом синтезе. Кроме того, некоторые сурьмаорганические соединения обладают фунгицидной и биоцидной активностью.

Поскольку органические производные сурьмы находят широкое применение в самых разных областях, активно ведутся работы по синтезу и исследованию свойств новых сурьмаорганических соединений как в России, так и за рубежом.

термодинамических, свойств органических производных сурьмы крайне немногочисленны.

Изучение термодинамических свойств, а также получение закономерностей их изменений от состава и структуры соединений, представляет собой важную и актуальную задачу.

термодинамических свойств ряда органических производных пятивалентной сурьмы в широком интервале температур; физико-химическая интерпретация с учетом состава и параметров структуры соединений и определение для них качественных и количественных закономерностей.

В ходе выполнения работы впервые в широком интервале температур (от T ~ 6 K до температур начала деструкции) определены температурные зависимости теплоемкости шести органических производных пятивалентной сурьмы: пентафенилсурьмы, бензофеноноксимата тетрафенилсурьмы, ацетофеноноксимата тетрафенилсурьмы, бис(ацетофеноноксимата) трифенилсурьмы, диакрилата трифенилсурьмы, диметакрилата трифенилсурьмы. Установлено, что практически все исследуемые вещества, за исключением бис(ацетофеноноксимата) трифенилсурьмы, плавятся с разрушением в интервале (403-443) K (рис. 1). Бис(ацетофеноноксимат) трифенилсурьмы плавится без разрушения при T = 434.5 K, его деструкция начинается при T = 450 K. Кроме плавления у двух соединений (бис(ацетофеноноксимата) и диметакрилата трифенилсурьмы) на кривых температурной Секция «Химия, новые материалы и технологии»п, UID зависимости теплоемкости была выявлена воспроизводимая аномалия, выражающаяся в положительном отклонении от нормального хода кривых, и связанная, по-видимому, со структурными изменениями в соединениях.

Рис. 1. Температурная зависимость теплоемкости пентафенилсурьмы Ph5Sb Рассчитаны стандартные термодинамические функции в интервале от 0 до (400-440) K низкотемпературных значений теплоемкости, которая показала преимущественно цепочечно-слоистую топологию структур изученных соединений, что коррелирует с данными рентгеноструктурных исследований. Выявлены зависимости характеристической температуры от состава соединения и сделаны заключения об относительной жесткости структур изученных соединений Для четырех соединений из исследуемого ряда (Ph5Sb, Ph4SbONCPh2, Ph4SbONCPhMe и Ph3Sb(ONCPhMe)2) были экспериментально определены энергии сгорания.

термодинамические параметры образования указанных соединений при T = 298.15 K.

Анализ экспериментальных и расчетных данных показал, что при переходе от монозамещенного к соответствующему дизамещенному производному пентафенилсурьмы стандартные термодинамические функции (теплоемкость, абсолютная энтропия, энтальпия и функция Гиббса нагревания, а также стандартные энтальпия, энтропия и функция Гиббса образования при T = 298.15 K изменяются линейно с ростом молярной массы соединений.

д.х.н., профессору Шарутину В.В. и д.х.н., профессору Гущину А.В. за предоставленные для исследования образцы.

Работа выполнена при поддержке программы Министерства образования и науки РФ (ГК № 14.В37.21.0799).

Синтез (со)полимеров стирола в присутствии системы Химический факультет, Нижегородский государственный университет В последнее время для создания новых полимерных материалов всё чаще молекулярно-массовыми характеристиками, строением и архитектурой цепи.

азоизомасляной кислоты в присутствии три-н-бутилбора и п-хинонов: 2,3-диметилбензохинона-1,4, нафтохинона-1,4, 2,5-ди-трет-бутилбензохинона-1,4, дурохинона. Процесс протекает в контролируемом режиме по механизму Stable Free Radical Polymerization по схеме:

Образующийся аддукт-макроинициатор способен реинициировать (со)полимеризацию:

Наиболее активный макроинициатор образуется при использовании 2,3-диметилбензохинона-1,4 и нафтохинона-1,4. Полученные макроинициаторы были изучены в блоксополимеризации с метилметакрилатом и N-винилпирролидоном. Процесс протекает с высокой скоростью, при этом образуются сополимеры с молекулярно-массовыми характеристиками: Mn = (1.09–2.03)106, Mw/Mn = 1.29–1.49. Состав сополимеров определяли методом ЯМР-спектроскопии.

Исследование (со)полимеризации стирола с винилацетатом в присутствии системы три-н-бутилбор – п-хинон показало, что процесс протекает в контролируемом режиме и приводит к образованию композиционно однородного сополимера с тенденцией к градиентному распределению звеньев.