[ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Санкт-Петербургский государственный университет
Кафедра квантовых магнитных явлений
5-я Зимняя молодежная школа-конференция
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
Материалы конференции
1 – 5 декабря 2008 года
Санкт-Петербург, Россия
Оргкомитет благодарит за финансовую поддержку
Российский фонд фундаментальных исследований http://www.rfbr.ru Санкт-Петербургский государственный университет, Министерство образования и наук
и РФ http://www.spbu.ru 5-я Зимняя молодежная школа-конференция Санкт-Петербургского государственного университета с международным участием
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРОГРАММНЫЙ КОМИТЕТ
Научный руководитель школы-конференции профессор, доктор физикоматематических наук, заслуженный деятель науки РФ Владимир Иванович Чижик Члены программного комитета профессор D. Michel, Лейпцигский университет доцент А. В. Комолкин, СПбГУ
ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ
Председатель Вечерухин Н. М.Заместитель председателя Тютюкин К. В.
Члены оргкомитета Шеляпина М. Г.
Донец А. В.
Попова М. В.
Верстка материалов конференции Левантовский А. А.
АДРЕС ШКОЛЫ-КОНФЕРЕНЦИИ
198504, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 3, Кафедра квантовых магнитных явлений Физического факультета СПбГУ Тел. (812) 428-44-79, (812) 428-75- Факс (812) 428-72- E-mail [email protected] URL http://nmr.phys.spbu.ru/WSNMR- Содержание Содержание ПРОГРАММА ШКОЛЫМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
ЛЕКЦИИ
Андреев Н. К.
Тепловые движения молекул, ЯМР релаксация и спиновая диффузия в твердых телах
Вечерухин Н. М.
ЯМР в земном поле
Воронов В. К.
Ядерный магнитный резонанс в парамагнитных системах.............. 25 Воронов В. К.
Квантовый компьютер
Двинских С. В.
Современные методы ЯМР в твердых телах
Игнатьев И. В.
Оптическая накачка и детектирование ядерных спиновых эффектов в полупроводниковых наноструктурах
Касперович В. С., Москалева Е. В.
Применение метода ядерного магнитного резонанса и квантовохимических расчетов для определения тензоров градиентов электрических полей и электронной плотности
Комолкин А. В.
Высокопроизводительные вычисления в квантовой химии............. 30 Michel D.
High-Resolution NMR of Molecules Adsorbed on Interfaces: One- and Two-dimensional NMR and Relaxation Studies
Michel D.
Solid State NMR of Nuclei with quadrupole moments
Неронов Ю. И.
ЯМР спектроскопия простейших газов и проблемы минимизации погрешности при определении магнитных моментов легчайших ядер
Павлова М. С.
Основы квантово-химических расчетов молекул: выбор методики и базисного набора
Селиванов С. И.
Использование корреляционных методов спектроскопии ЯМР для изучения быстрых конформационных превращений стероидных молекул в растворе
Семенов В. Г.
Спектроскопия ядерного гамма-резонанса и селективный по глубине анализ сверхтонких взаимодействий
Сухаржевский С. М.
Приложения ЭПР в науке и промышленной деятельности...............39 Фельдман Э. Б.
Методы многоквантового ЯМР для исследования квантомеханической запутанности
Фролов В. В.
Принципы получения ЯМР-изображений
Чижик В. И.
Просто о сложном: магнитный резонанс
Чижик В. И.
Квантовые генераторы и усилители
УСТНЫЕ ДОКЛАДЫ
Винокуров А. А., Сухаржевский С. М.
ЭПР суперионных кристаллов CaF2, легированных ионами двухвалентного европия
Вовк М. А., Павлова М. С.
Квантово-химические расчеты гидратных оболочек иона CD3COO-..50 Вызулин С. А., Горобинский А. В., Лебедева Е. В., Сырьев Н. Е.
Применение ферромагнитного резонанса при изучении наноструктурированных магнитных пленок
Донец А. В., Чижик В. И.
Сольватация макромолекул по данным ЯМР-релаксации................55 Дьяченко С. В., Жерновой А. И., Рудаков Ю. Р., Филимоненко Н. М.
Исследование структурообразования в дисперсии наночастиц магнетита
Иевлев А. B., Маркелов Д. А.
Исследование подвижности дендримера DAB-CN(8) в дейтерированном хлороформе методами ЯМР–релаксации и диффузометрии
Кузнецова Е. И., Фельдман Э. Б.
Динамика и релаксация многоквантовых когерентностей в одномерных спиновых системах в твердом теле
Левантовский А. А., Убыйвовк Е. В.
Новые возможности автоматизации обработки серии спектров в программе MagicPlot
Лукзен Н. Н., Петрова М. В., Коптюг И. В., Савелов А. А., Сагдеев Р. З.
Применение формализма производящих функций для описания периодических ЯМР и МРТ импульсных последовательностей: эхо вне резонанса
Морозкина С. Н., Дроздов А. С., Селиванов С. И., Старова Г. Л., Шавва А. Г.
Исследование структуры D-гомо-9- и D-гомо-В-нор-9 аналогов стероидных эстрогенов методами спектроскопии ЯМР
Ромашева А. Т., Черемисин В. М., Камышанская И. Г.
Возможности магнитно-резонансной томографии суставов конечностей на специализированной аппаратуре
Селютин А. А., Журавлев Н. А., Бобрышева Н. П.
Применение резонансных методов для исследования явления кластеризации в LiFeO2
Серегин А. Н.
Система управления исследовательской установкой «мини-ЯМР томограф»
Сирецкий М. Ю., Шеляпина М. Г.
Исследование влияния атомов переходных 3d-металлов на свойства MgH2: неэмпирические кластерные расчеты
Склярова А. С., Володин В. С.
Изучение железосодержащих наноструктур методом ЯГРС............. 81 Сухоруков А. В., Гусейнов Д. В., Ежевский А. А.
Процессы спиновой релаксации электронов проводимости в кремнии с различным изотопным составом
Харченко К. А., Шеляпина М. Г.
Исследования фазовой стабильности MgNi2
Харьков Б. Б., Шеляпина М. Г., Скрябина Н. Е., Fruchart D., Miraglia S.
Влияние каталитических добавок Zr7Ni10 и Hf7Ni10 на структуру и подвижность водорода в TiV0.8Cr1.2
Чудин А. В., Смекалова Т. Н.
Магниторазведка в археологии
Шестаков С. Л., Анохин Е. М., Сангинов Е. А., Павлов А. А., Волков В. И.
Применение 1H и 13C-ЯМР к исследованию локальной подвижности и переноса протонов в композитных ионообменных мембранах
СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ
Амиров Р. Р., Мирсайзянова С. А., Сагдеева Г. И., Шарафутдинова Л. А., Сапрыкова З. А.
Магнитно-релаксационное исследование комплексов тирона с Gd(III) и Fe(III) в растворах: перспективы для использования в МРТ
Балкашин О. П., Янсон И. К., Фисун В. В., Трипутень Л. Ю., Konovalenko A., Korenivski V.
Резонансная стимуляция прецессии намагниченности в микроконтактах Co-Cu
Богачев Ю. В., Грибанов А. В., Добродумов А. В., Марченко Я. Ю., Михалев В. А., Николаев Б. П., Толпаров Ю. Н., Яковлева Л. Ю.
Нанодисперсный оксид железа для контрастирования магнитнорезонансных изображений
Богачев Ю. В., Драпкин В. З., Князев М. Н., Черненко Ю. С.
Специализированная аппаратура ЭПР для изучения свободнорадикальных состояний в биомедицинских исследованиях
Богачев Ю. В., Дьякова О. Г., Сугоняко Н. Ю., Фокин В. А.
Методика оценки острого ишемического инсульта на основе магнитно–резонансной томографии
Бычкова А. В., Сорокина О. Н., Шапиро А. Б., Коварский А. Л.
Применение ЭПР-спектроскопии спиновых меток в исследовании взаимодействия белков плазмы крови с наночастицами магнетита 108 Васильева А. В., Мистонов А. А., Напольский К. С., Григорьев С. В., Григорьева Н. А., Елисеев А. А., Петухов А. В., Чершышов Д. Ю., Третьяков Д. Ю., Эккерлебе Х.
Инвертированные фотонные кристаллы: структурные и магнитные свойства
Вечерухин Н. М., Мельников А. В., Шапошников А. М.
Проявление стационарной турбулентности в спектрах ядерного магнитного резонанса
Вишневский Д. В.
Динамика ядерной спиновой поляризации в квантовых точках.... 115 Володин В. С.
Резонансное детектирование и его применения в спектроскопии ядерного гамма-резонанса
Герц Е. Д., Комолкин А. В.
Аппроксимация сигналов эха для улучшения отношения сигнал/шум в методах определения Т2
Дмитриев К. А.
Автоматизация спектрометра ЭПР МИНСК-12
Жукова Н. М.
F и 1H ЯМР в природном кристалле голубого топаза.................. 126 Зиятдинова А. Б., Бурилова Е. А., Кононова А. В., Амиров Р. Р., Жуков А. Ю., Ситдиков Р. Р., Стойков И. И.
Сравнительный анализ влияния природы парамагнитного зонда на релаксивность каликсареновых металлокомплексов для МРТ... 129 Зубков М. А., Фролов В. В.
Реализация метода получения магнитно-резонансных томограмм в слабых полях объектов с коротким временем затухания сигнала ЯМР
Иванов А. А., Савинков А. В., Архипов Р. В., Скирда В. Д.
Особенности PT–диаграмм газоконденсатных смесей в пористой среде
Иевлев А. B., Чернышев Ю. С.
ЯМР–релаксация в системе ацетонитрил–углеродные нанотрубки 134 Карпенко А. С., Чернышев Ю. С.
Исследование самодиффузии ионов Li7 в растворе LiCLO4*3H2O в дейтерированном ацетонитриле CD3CN
Кулагина Т. П., Маникин П. С.
Исследование молекулярно-массового распределения в теоретических спектрах ЯМР густосшитых полимеров................. 138 Кулагина Т. П. Маникин П. С., Смирнов Л. П., Карнаух Г. Е.
Теория спектров ЯМР в гетерогенных полимерных материалах.... 141 Магдалинова Н. А., Груздев М. С.
Исследование продуктов гидроаминирования пропаналя п-аминобензойной кислотой методами ЯМР- и ИК-спектроскопии. 144 Мамедов И. Г., Магеррамов А. М., Байрамов М. Р., Мехтиева Г. М.
Роль ЯМР-спектроскопии в получении высокополимеров на основе алкенилфенолов
Маркелов Д. А., Матвеев В. В., Шевелев В. А., Готлиб Ю. Я.
Проявление ориентационной подвижности сегментов дендримера в ЯМР-релаксации
Мунавиров Б. В., Гнездилов О. И., Филиппов А. В.
Проявление взаимодействия полиакриловой кислоты с липидными бислоями ДМФХ на двумерных спектрах NOESY......... 153 Панчук В. В.
Магнитная текстура и распределение сверхтонких полей в многослойных структурах fe/v и fe/co
Парфенова Л. В., Тюмкина Т. В., Берестова Т. В., Габдрахманов В. З., Халилов Л. М., Джемилев У. М.
Спектры ЯМР 1-диалкилалюмина-2-алкилгексанов
Паршина В. Л.
Использование простых фантомов для проверки положения и толщины выделяемого слоя
Подорожкин Д. Ю., Чарная Е. В., Барышников С. В., Tien Ch., Lee M. K., Michel D.
ЯМР-исследования нанопористых матриц, заполненных нитритом натрия
Помогайло Д. А., Чумакова Н. А.
Определение ориентационных функций распределения спиновых зондов в упорядоченном жидком кристалле
Рауцкий М. В., Петраковская Э. А.
Ферромагнитный резонанс в обменно-связанных пленках Co/Ge/Co
Романовская Е. В.
О применимости ЯМР-спектроскопии к исследованию структуры комплекса фактора транскрипции NF1 со специфическим участком ДНК регуляторной области гена триптофандиоксигеназы в процессе экспрессии эукариотических генов
Рыков И. А.
Определение параметров спектральных линий ЯМР с учетом искажений, вносимых условиями регистрации спектров............... 168 Селиванов С. И., Морозкина С. Н., Шалак К. Е., Шавва А. Г.
Исследование структуры в растворе 3-метокси-17,17а-оксидоD-гомо-8-эстра-1,3,5(10)-триена
Соколова А. А., Югова И. А.
Оптическая ориентация электронных спинов в полупроводниковых квантовых ямах
Солтамова А. А., Баранов П. Г., Бадалян А. Г., Ильин И. В., Орлинский С. Б.
ЭПР спектроскопия дефектов, обусловленных примесью азота, в микрокристаллических алмазах
Толмачёв Д. О., Баранов П. Г., Романов Н. Г.
Обнаружение тонкой структуры Mn2+ в квантовых точках CdMnSe/ZnSe
Чернышев Ю. С., Двинских С. В., Москалева Е. В.
Трансляционная диффузия молекул ацетонитрила в дисперсии углеродных нанотрубок
Чижик М. В.
Ферромагнитный и спин волновой резонанс в трехслойных обменно-связанных структурах
Шубин С. А., Фролов В. В.
Разработка метода оптимизации градиентных систем для визуализации структуры потоков в слабопольной магнитнорезонансной томографии
СТИХИ О ШКОЛЕ
2004
2005
2006
2007
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
12.00 - 12. 12.30 - 13.
РЕГИСТРАЦИЯ
УЧАСТНИКОВ
СТЕНДЫ
СТЕНДЫ
20.00 WELCOME СПОРТИВНО-КУЛЬТУРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ БАНКЕТ
1400 – 1500 ОБЕД 1500 – 1700 РЕГИСТРАЦИЯ УЧАСТНИКОВ 1700 – 1720 ОТКРЫТИЕ 1720 – 1840 В. И. Чижик «Просто о сложном: магнитный резонанс»1900 – 2000 УЖИН 2000 WELCOME PARTY «ВЕЧЕР КАРЕЛИИ»
845 – 915 ЗАВТРАК 930 – 1030 В. К. Воронов «Ядерный магнитный резонанс в парамагнитных 1030 – 1130 D. Michel «High-Resolution NMR of Molecules Adsorbed on Interfaces: One- and Two-dimensional NMR and Relaxation 1130 – 1200 КОФЕ 1200 – 1300 D. Michel «Solid State NMR of Nuclei with quadrupole moments»
1300 – 1400 С. В. Двинских «Современные методы ЯМР в твердых телах»
1400 – 1500 ОБЕД 1500 – 1600 Э. Б. Фельдман «Методы многоквантового ЯМР для исследования квантовомеханической запутанности»
1600 – 1620 Е. И. Кузнецова «Динамика и релаксация многоквантовых когерентностей ЯМР одномерных систем»
1620 – 1640 А. А. Селютин «Применение резонансных методов для исследования явления кластеризации в LiFeO2»
1640 – 1700 С. Л. Шестаков «Применение 1H и 13C-ЯМР к исследованию локальной подвижности и переноса протонов в композитных 1700 – 1720 А. А. Левантовский «Новые возможности автоматизации обработки серии спектров в программе MagicPlot»
1720 – 1740 КОФЕ 1740 – 1800 А. С. Склярова «Изучение железосодержащих наноструктур 1800 – 1820 А. В. Горобинский «Применение ферромагнитного резонанса при изучении наноструктурированных магнитных пленок»
1820 – 1840 Ю. Р. Рудаков «Исследование структурообразования в дисперсии наночастиц магнетита»
1900 – 2000 УЖИН
2000 СПОРТИВНЫЕ И КУЛЬТУРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
845 – 915 ЗАВТРАК 930 – 1030 И. В. Игнатьев «Оптическая накачка и детектирование ядерных спиновых эффектов в полупроводниковых наноструктурах»1030 – 1130 В. К. Воронов «Квантовый компьютер»
1130 – 1200 КОФЕ 1200 – 1300 М. С. Павлова «Основы квантово-химических расчетов молекул: выбор методики и базисного набора»
1300 – 1400 А. В. Комолкин «Высокопроизводительные вычисления в 1400 – 1500 ОБЕД 1500 – 1600 В. С. Касперович «Применение метода ядерного магнитного резонанса и квантово-химических расчетов для определения тензоров градиентов электрических полей и электронной 1600 – 1620 М. Ю. Сирецкий «Исследование влияния атомов переходных 3d-металлов на свойства MgH2: неэмпирические кластерные 1620 – 1640 К. А. Харченко «Исследования фазовой стабильности MgNi2»
1640 – 1700 Б. Б. Харьков «Влияние каталитических добавок Zr7Ni10 и Hf7Ni10 на структуру и подвижность водорода в TiV0.8Cr1.2»
1700 – 1720 М. А. Вовк «Квантово-химические расчеты гидратных оболочек 1720 – 1740 КОФЕ 1740 – 1840 СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ 1900 – 2000 УЖИН
2000 СПОРТИВНЫЕ И КУЛЬТУРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
845 – 915 ЗАВТРАК 1000 – 1400 ПОСЕЩЕНИЕ УЧЕБНО-НАУЧНОЙ БАЗЫ СПБГУ Лабораторные работы по ЯМР, ЯКР, ЭПР (1 и 2 этажи в клубе) 1400 – 1500 ОБЕД 1500 – 1550 В. В. Фролов «Принципы получения ЯМР-изображений»1550 – 1610 М. В. Петрова «Применение формализма производящих функций для описания периодических ЯМР и МРТ импульсных последовательностей: эхо вне резонанса»
1610 – 1630 А. Н. Серегин «Система управления исследовательской установкой «мини-ЯМР томограф»»
1630 – 1710 Ю. И. Неронов «ЯМР спектроскопия простейших газов и проблемы минимизации погрешности при определении магнитных моментов легчайших ядер»
1720 – 1730 КОФЕ 1730 – 1810 Г. С. Куприянова «Методы обработки сигналов магнитного резонанса в системах диагностики материалов в условиях 1810 – 1830 А. В. Чудин «Магниторазведка в археологии»
1830 – 1850 А. В. Иевлев «Исследование подвижности дендримера DAB-CN(8) в дейтерированном хлороформе методами ЯМР-релаксации и диффузометрии»
1900 – 2000 УЖИН
2000 СПОРТИВНЫЕ И КУЛЬТУРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ
845 – 915 ЗАВТРАК 930 – 1030 В. Г. Семенов «Спектроскопия ядерного гамма-резонанса и селективный по глубине анализ сверхтонких взаимодействий»1030 – 1130 В. И. Чижик Тема – по желанию «школьников»
1130 – 1200 КОФЕ 1200 – 1230 А. В. Михайлова «Особенности МР-диагностики демиелинизирующих заболеваний головного мозга»
1230 – 1300 А. Т. Ромашева «Возможности оценки суставов конечностей в норме и при патологии на отечественном специализированном 1300 – 1400 С. И. Селиванов «Использование корреляционных методов спектроскопии ЯМР для изучения быстрых конформационных превращений стероидных молекул в растворе»
1400 – 1500 ОБЕД 1500 – 1600 С. М. Сухаржевский «Приложения ЭПР в науке и 1600 – 1620 А. А. Винокуров «ЭПР суперионных кристаллов CaF2, легированных ионами двухвалентного европия»
1620 – 1640 А. В. Сухоруков «Процессы спиновой релаксации электронов проводимости в кремнии с различным изотопным составом»
1640 – 1700 А. В. Донец «Сольватация макромолекул по данным 1700 – 1720 С. Н. Морозкина «Исследование структуры D-гомо-9- и D-гомо-В-нор-9 аналогов стероидных эстрогенов методами 1720 – 1740 Д. О. Толмачёв «Обнаружение тонкой структуры Mn2+ в 1740 – 1840 КОФЕ, СТЕНДОВЫЕ ДОКЛАДЫ 1840 – 1900 ЗАКРЫТИЕ 845 – 915 ЗАВТРАК Магнитный резонанс и его приложения Зимняя школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения» проводится кафедрой квантовых магнитных явлений физического факультета СанктПетербургского государственного университета в пятый раз. Это мероприятие организуется в соответствии с тематикой образовательных магистерских программ, которые разработаны и внедрены в образовательный процесс на кафедре: «Магнитный резонанс и его приложения», «Томографические технологии в современной медицинской диагностике» по направлению 010700 «Физика», и «Квантовая радиофизика» по направлению 010600 «Прикладные математика и физика».
В современной физике термином «магнитный резонанс» называют совокупность явлений, возникающих при взаимодействии магнитных моментов ядер и электронов со статическими, переменными или флуктуирующими магнитными полями, которые либо прилагаются извне, либо могут возникать внутри вещества. Изменения ориентации магнитных моментов ядер или электронов в статическом магнитном поле сопровождаются излучением или поглощением квантов электромагнитного поля, соответствующего радиочастотному диапазону. Регистрируя это излучение, можно извлечь информацию о локальной структуре молекул, различных твердых тел, о внутренних движениях в жидкостях, твердых телах и т.п. На протяжении чуть более пятидесяти лет за развитие идей и приложений магнитного резонанса присуждено несколько Нобелевских премий по физике, химии, биологии, физиологии и медицине.
К магнитно-резонансным методам относятся в первую очередь:
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР);
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР);
Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР);
Эти методы, являясь бесконтактными, не разрушают исследуемый объект, что делает их уникальными и востребованными не только в физике и химии, но и в медицине, геологии, биологии, археологии. В настоящее время ни один серьезный медицинский центр не обходится без ЯМР-томографа. В России ЯМР используется при каротаже нефтяных скважин, лабораторном анализе продуктивности нефтеносных коллекторов, анализе масличности и влажности семян; разработаны аппаратура и методика ЭПР для геологических исследований, неразрушающего контроля драгоценных камней и т.п. Магнитометрические методы на основе магнитного резонанса незаменимы при проведении археологических разведок Само определение «школа-конференция» подразумевает, что с одной стороны, организаторы включат в программу лекции, в которых будут отражены основы магнитного резонанса (включая начальные установочные лекции) и современное состояние знаний и опыта в этой области, а с другой, как и на любой конференции, предполагается обсуждение новых результатов, полученных молодыми учеными с использованием магнитно-резонансных методов. Следует подчеркнуть, что наша школа-конференция нацелена не только на исследователей, специализирующихся в области магнитного резонанса, но и на представителей других областей науки, где эти методы могут быть успешно применены.
Кафедра квантовых магнитных явлений, проводящая Зимнюю школу, образована в 1993 г. под руководством профессора В. И. Чижика, на базе лаборатории, работавшей на кафедре радиофизики СПбГУ по направлению «Квантовая радиофизика».
Основные научные направления, развиваемые на кафедре квантовых магнитных явлений:
Ядерная магнитная релаксация в жидких средах;
Ядерный магнитный резонанс в твердых телах;
Ядерный магнитный резонанс в магнитоупорядоченных веществах;
Электронный парамагнитный резонанс в сильных магнитных полях;
ЭПР в слабых магнитных полях;
ЯМР в жидких кристаллах;
ЯМР в пористых средах;
ЯМР-томография (интроскопия);
Ядерный магнитный резонанс в Земном поле;
Квантовая магнитометрия в археологии;
Одновременно с научными исследованиями преподаватели и научные сотрудники активно участвуют в разработке практических приложений ЯМР и ЭПР.
Выпускники кафедры работают не только в России и СНГ, но и в Швеции, США, Новой Зеландии, Англии, Германии, Франции, Италии, занимая должности от высококвалифицированного оператора современных радиоспектрометров до профессора.
Обращаем Ваше внимание, что кафедра проводит также ежегодную международную летнюю Школу-конференцию «Nuclear magnetic resonance in condensed matter»
– NMRCM (время проведения – начало июля, рабочий язык – английский).
Из выше изложенного видно, что спектр наших научных интересов довольно велик. Несмотря на молодость, наша кафедра имеет богатые традиции и продолжает интенсивно развиваться. Мы всегда открыты к сотрудничеству с исследователями из самых различных областей науки.
Во время предыдущих Школ-конференций (2004, 2005, 2006 и 2007 гг.) участники могли ознакомиться с исследованиями ЯМР в магнитном поле Земли на загородной научной базе, расположенной в 15 километрах от места проведения Школы. В этом году мы также организуем проведение ряда практических работ по ЯМР, ЯКР и ЭПР.
Желаем Вам с максимальной пользой и приятно провести эти несколько дней в теплом кругу магнитного резонанса, и надеемся на дальнейшее плодотворное сотрудничество.
Лекции Тепловые движения молекул, ЯМР релаксация и спиновая 420066, Казанский государственный энергетический университет Казань, Красносельская, д. E-mail: [email protected]
Работа посвящена описанию широкого круга явлений, касающихся ядерной магнитной релаксации протонов в молекулярных твердых телах, полимерах, жидких кристаллах и в адсорбированной жидкости. При наличии в указанных средах атомных групп или молекул, совершающих поворотное движение, в определенных диапазонах температур наблюдаются максимумы скорости спин-решеточной релаксации (СРР) и области сужения линии ЯМР. Известно, что главным механизмом релаксации является модуляция диполь-дипольных (ДД) взаимодействий вращательным движением молекул. Теория явления была построена Бломбергеном, Парселлом и Паундом (БПП). Основной вклад в релаксацию вносят движения на резонансной и удвоенной резонансной частотах.
Часто оказывается, что подвижность различных групп атомов неодинакова. Тогда области максимума скорости СРР наблюдаются при различных температурах. Если между протонами различных групп атомов существует диполь-дипольное взаимодействие, скорость спин-решочной релаксации оказывается средневзвешенной величиной, в которой весами вкладов служат относительные концентрации протонов в молекуле или веществе в целом. Механизмом передачи энергии от более «нагретых» спинов, к менее «нагретым» спинам – спиновой диффузии – являются так называемые флип-флоп переходы, во время которых общая энергия спинов не меняется.
Теория для гомогенных систем с ДД взаимодействиями предсказывает экспоненциальную СРР. В случае, если релаксирующими группами являются трехспиновые группы (аминогруппы, метильные группы, оксониевые ионы), часто наблюдается отклонение от экспоненциального закона релаксации.
Тщательное исследование релаксации трехспиновых систем рядом авторов, в том числе и автором доклада в молекулярных кристаллах аминокислот, показало, что степень отклонения от экспоненты растет с уменьшением концентрации в кристалле трехспиновых групп и с понижением температуры. СРР анизотропна и зависит от симметрии кристалла.
Было показано теоретически и экспериментально, что для объяснения всех особенностей СРР трехспиновых групп необходимо учитывать как внутригрупповые, так и межгрупповые ДД взаимодействия. Например, в кристаллах цистеина и метионина, содержащих в кристаллической ячейке неэквивалентные молекулы, СРР в данной области температур обусловлена вращением только одной аминогруппы. Скорость релаксации может быть объяснена только наличием межгрупповой спиновой диффузии. Скорость спиновой диффузии оказалась ограниченной запретами на переходы между энергетическими уровнями различных групп, принадлежащим состояниям, описываемым различными представлениями группы вращений С3.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы для идентификации веществ из одного гомологического ряда методом ЯМР релаксации. Они нашли применение для определения влажности адсорбентов. На выводах исследований основано объяснение более длинных времен релаксации раковых тканей по сравнению с временами релаксации здоровых тканей в медицинской ЯМР томографии.
198504, Санкт-Петербургский государственный университет, С.-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, Лекция посвящается особенностям наблюдения ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли, индукция которого составляет всего лишь 0,5 Гс (50 mkT). В этом поле сигнал ЯМР на протонах регистрируется на частоте порядка 2000 Гц. В слабом магнитном поле амплитуда сигнала мала и без дополнительных мероприятий, таких как предварительная поляризация образца дополнительным магнитным полем, компенсация электромагнитных помех, накопление сигнала или других способов, увеличивающих отношение сигнал/шум, наблюдать ЯМР в земном поле практически невозможно.
Занятие проводится на учебно-научной базе СПбГУ «Старорусская». В ходе посещения базы будет проведена серия экспериментов по наблюдению сигналов ЯМР в магнитном поле Земли. В частности, будет продемонстрировано поведение параметров сигнала ЯМР в движущейся жидкости в условиях неоднородного возбуждающего поля.
Ядерный магнитный резонанс в парамагнитных системах 664074, Иркутский государственный технический университет, Иркутск, ул. Лермонтова, д. E-mail: [email protected] Вскоре после открытия явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в конденсированных средах стало ясно, что оно ляжет в основу мощного метода исследования строения вещества и его свойств. Многочисленные публикации, описывающие применение ЯМР в различных областях исследований, подтвердили это. Высокая эффективность использования ЯМР для решения самых разнообразных задач, связанных с исследованием строения и поведения многоэлектронных (молекулярных) систем, обусловлена прогрессом как техники спектроскопии ЯМР, так и достижениями в изучении самого явления. Что касается последнего, то подтверждением тому служит новый раздел исследований, основанный на анализе спектров ЯМР, трансформированных электронно-ядерным или сверхтонким взаимодействием между нескомпенсированным электронным спином (неспаренными электронами) и резонирующими ядрами. Как правило, имеются ввиду комплексы, специфика которых определяется электронами на dили f-орбиталях. В частности, было показано, что изучение ЯМР в парамагнитных комплексах позволяет получать ценную информацию о строении молекул. Причину специфики явления ЯМР в парамагнитных системах можно пояснить следующим образом.
Если резонирующее ядро (например, протон) входит в состав парамагнитной молекулы, т.е. молекулы, имеющей нескомпенсированный электронный спиновый момент, то оно подвергается дополнительному магнитному влиянию со стороны электронного спина. Это приводит к уширению, а также к парамагнитным сдвигам (контактным и псевдоконтактным) резонансных линий по сравнению с шириной и положением линий в спектрах ЯМР не координированных молекул. Контактный сдвиг наблюдается в тех случаях, когда вероятность пребывания неспаренного электрона в месте расположения резонирующего ядра отлична от нуля. Попадание неспареннного электрона с координирующего иона на лиганды и распространение по молекуле лиганда (т.е. механизм его делокализации) определяется спецификой электронного строения парамагнитного комплекса. Псевдоконтактный сдвиг обусловливается тем, что в случае анизотропии g фактора парамагнитного комплекса диполь-дипольное сверхтонкое взаимодействие между магнитными моментами неспаренного электрона и ядра не усредняется до нуля. Псевдоконтактные сдвиги характеризуют пространственную структуру парамагнитной молекулы. Поэтому они могут быть использованы (и используются) при решении различного рода структурных задач.
В докладе на конкретных примерах будут проиллюстрированы современные возможности использования специфики явления ЯМР в парамагнитных системах для изучения строения и динамики молекулярных (многоэлектронных) систем.
Литература 1. Итон Д.Р., Филипс В.Д. Ядерный магнитный резонанс в парамагнитных соединения. Журнал структурной химии, т. 9, № 1, с.93 – 136 (1968).
2. Воронов В.К. Парамагнитные реагенты для изучения строения органических лигандов. Успехи химии, т. 43, № 3, с. 432 – 454 (1974).
3. Воронов В.К. Метод парамагнитных добавок в спектроскопии ЯМР.
Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение, 1989. – 168 с.
664074, Иркутский государственный технический университет, Иркутск, ул, Лермонтова, д. E-mail: [email protected] Идея квантового компьютера как таковая впервые была высказана в работах Р.Фейнмана, опубликованных в середине 80-х годов двадцатого века. Поводом для ее обоснования явился вывод о том, что ресурсы памяти и быстродействия классических машин недостаточны для решения квантовых задач. Этот факт можно проиллюстрироn вать следующим образом. Системе из n частиц со спином соответствует 2 базисных состояний. Для описания такой системы необходимо задать (записать в память ЭВМ) 2 амплитуд этих состояний, а также провести соответствующие вычисления.
Так как n в принципе может быть большим числом, то и число состояний, с которыми необходимо оперировать в процессе решения задачи, будут таковыми. В конечном счете это может приводить к тому, что на пути вычислительных операций будут возникать непреодолимые препятствия. Отталкиваясь от этого негативного результата, Фейнман высказал предположение, что, вероятно, квантовые компьютеры будут обладать свойствами, которые позволят решать на них квантовые задачи.
Квантовый компьютер – это физическое устройство, выполняющее логические операции над квантовыми состояниями путем унитарных преобразований, не нарушающих квантовые суперпозиции в процессе вычислений. Схематично работа квантового компьютера может быть представлена как последовательность трех операций:
1. запись (приготовление) начального состояния;
2. вычисление (унитарные преобразования начальных состояний);
3. вывод результата (измерение, проецирование конечного состояния).
Квантовый компьютер оперирует с состояниями. Простейшей системой, выполняющей функцию, аналогичную битам в классическом компьютере, является система с двумя возможными состояниями. Для обозначения состояния такой квантовой двухуровневой системы предложен специальный термин: q бит ( qubit ) – квантовый бит информации. Физическими системами, результирующие q биты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: поляризационные состояния фотонов, электронные состояния изолированных атомов или ионов, спиновые состояния ядер атомов, нижние состояния в квантовых точках и т.д. В докладе излагаются физические, математические и технологические аспекты проблемы создания квантового компьютера.
Литература 1. Килин С.Я. Квантовая информация. Успехи физических наук, т. 169, № 5, с. 2. Валиев К.А. Квантовые компьютеры: можно ли их сделать «большими»? Успехи физических наук, т. 169, № 6, с. 691 – 694 (1999).
3. Стин Э. Основы квантовых вычислений. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления, т. 2, № 2, с.3 – 57 (2001).
4. Валиев К.А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления. Успехи физических наук, т. 175, № 1, с. 3 – 39 (2005).
5. Voronov V.K. NMR and the Problem of Quantum Computer Creation: New Outlook;
in book «Trends in Quantum Computing Research». NOVA Publisher: New York, Современные методы ЯМР в твердых телах 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. E-mail: [email protected] Спектроскопия ЯМР в настоящее время широко используется в структурных исследованиях сложных молекул и при изучении динамических процессов в органических, неорганических и биологических материалах. Большинство экспериментов традиционно проводятся в жидкостях. Тем не менее, в последние годы наблюдается значительный рост числа экспериментов с использованием спектроскопии ЯМР твердого тела. Области применения включают не только исследования свойств веществ в твердом состоянии, но и изучение структуры нерастворимых молекул. При этом, в отличии от ЯМР в растворе, нет принципиальных ограничений, связанных с размером молекулы.
Современная методика твердотельного ЯМР позволяет не только достигать спектрального разрешения, сравнимого с разрешением в спектрах жидкостей, но также дает возможность получать информацию о статических анизотропных спиновых взаимодействиях, недоступную в ЯМР в жидкости. Новые высокоэффективные методики ЯМР высокого разрешения в твердых телах, несколько лет назад рассматриваемые как передовые и использовавшиеся лишь ограниченным числом групп, практикующих развитие ЯМР методологии, начинают рутинно применяться в биофизических и химических лабораториях. В докладе будет дан краткий обзор некоторых из современных методик твердотельного ЯМР для экспериментов как в неподвижных, так и во вращающихся образцах. Будут рассмотрены новые многоимпульсные методы спиновой развязки, переноса поляризации, восстановления «потерянных» спиновых взаимодействий.
Данные методики создают основу для разработки новых типов многомерных экспериментов для разделения, соотнесения и корреляции спиновых взаимодействий.
Оптическая накачка и детектирование ядерных спиновых эффектов в полупроводниковых наноструктурах 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. В последние десятилетия развиваются оптические методы динамической поляризации ядерных спинов через ориентацию электронных спинов циркулярнополяризованным светом. Эти методы эффективно работают в случае квантовомеханических систем с большим спин-орбитальным взаимодействием и, в частности, полупроводниковых наноструктур. Полупроводниковые наноструктуры являются сегодня весьма популярными объектами исследования. Вследствие чрезвычайной малости нанообъектов, исследование ядерных спиновых эффектов в них представляется нетривиальной задачей. В докладе будет продемонстрированы возможности оптических методов для исследования динамики ядерной спиновой поляризации в наноструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками, включая одиночные точки. Оптическая накачка позволяет в реальном времени следить за динамикой ядерной поляризации и создавать огромную поляризацию вплоть до десятков процентов. Эта ядерная поляризация действует на электронных спин как гигантское эффективное магнитное поле (поле Оверхаузера), достигающее десятков Тесла и, тем самым, ярко проявляющееся в оптических экспериментах. В докладе будет рассказано также об исследованиях когерентной динамики ядерных спинов. В частности, будут продемонстрированы результаты недавних исследований эффектов типа спинового эха, возбуждаемых и детектируемых чисто оптическим методом. Исследования такого рода сейчас активно развиваются и дают все больше примеров неприменимости понятия спиновой температуры к описанию ядерной спиновой системы в современных экспериментах.
Применение метода ядерного магнитного резонанса и квантово-химических расчетов для определения тензоров градиентов электрических полей и электронной плотности 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 196210, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации, Санкт-Петербург,ул. Пилотов, д. E-mail: [email protected] http://nmr.phys.spbu.ru/WSNMR-2008/ Введение Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) позволяет изучать особенности электронной структуры и характера химических связей по измеренным градиентам электрических полей (ГЭП). Однако извлечение информации о распределении зарядовой плотности, микроструктуре и других параметрах кристалла связано с необходимостью расчета тензоров градиентов электрических полей.
В настоящее время не существует универсального метода расчета тензоров ГЭП.
В бездефектных кристаллических структурах наиболее целесообразно использовать зонные методы расчета, а при изучении эффектов ближнего порядка, электронной структуры аморфных твердых тел, поверхностных явлений, и т.д. – неэмпирические кластерные методы. В последнее время они получили широкое применение и в исследовании стехиометрических структур.
В лекции кратко рассматриваются следующие вопросы:
1. Вводится понятие квадрупольного момента ядра.
1. Рассматриваются причины возникновения градиентов электрического поля.
2. Обсуждается влияние квадрупольных взаимодействий на спектр ядерного магнитного резонанса в кристаллах и твердых растворах и методы определения комонент тензора ГЭП.
3. Описывается метод Хартри-Фока в применении к кластерным расчетам тензора ГЭП в кристаллах и твердых растворах.
4. Излагаются основы метода функционала плотности, используемого для зонных расчетов в рамках пакета WIEN-2k.
5. Приводятся примеры экспериментальных и теоретических исследований, полученные авторами лекции.
Расчеты показывают, что основной вклад в тензор ГЭП дают p-электроны. Ниже приведены вычисленные значения тензора ГЭП в кристалле берилла на ядрах алюминия и вклады в ГЭП от различных электронных оболочек:
Оболочка Суммарный вклад p-оболочка sd-гибридизация d-оболочка Высокопроизводительные вычисления в квантовой химии 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. E-mail: [email protected] http://nmr.phys.spbu.ru/~komolkin Введение Квантовая химия – сложная дисциплина. Но ее сложность заключается не в том, чтобы выполнить теоретические выкладки, пользуясь аппаратом квантовой механики, вычислить требуемые параметры аналитически или найти приближенное решение. Благодаря теоретическим исследованиям, выполненным В. А. Фоком и другими выдающимися физиками, аппарат квантовой химии сейчас развит достаточно хорошо и доведен до «практического применения» в виде компьютерных программ.
Основная трудность заключается в большом объеме необходимых вычислений и огромном количестве промежуточных данных, хранимых и обрабатываемых программами. В этой лекции мы немного отвлечемся от собственно квантовой механики, и будем решать вычислительные проблемы квантовой химии.
Высокопроизводительные вычислительные системы Слово «суперЭВМ» обычно ассоциируется с очень сложной и дорогой машиной, трудно программируемой и обслуживаемой.
Так было до появления кластера Beowulf, названного в честь эпического героя-победителя чудовищ. Все современные наследники этого кластера сохранили важнейшую его особенность – небольшую стоимость, – которой они и побеждают чудовищ-суперЭВМ. Кластер состоит из персональных компьютеров, работающих под управлением свободно распространяемой операционной системы Linux, соединенных в локальную сеть.
С появлением «многоядерных процессоров», а на самом деле – микросхем с несколькими полноценными одинаковыми процессорами, каждый компьютер может быть рассмотрен как многопроцессорная суперЭВМ. Даже легкий переносной notebook, работающий от аккумулятора!
Вычислительную работу в задачах квантовой химии (и не только) удается распределить на разные компьютеры кластера и разные процессоры многопроцессорной машины и, тем самым, ускорить вычисления. Объединённая память всех компьютеров кластера служит гигантским быстрым хранилищем данных, возникающих и перерабатываемых программами.
В лекции будут рассмотрены архитектуры различных высокопроизводительных вычислительных систем, способы распараллеливания вычислительных задач.
High-Resolution NMR of Molecules Adsorbed on Interfaces:
One- and Two-dimensional NMR and Relaxation Studies University Leipzig, Institut for Experimental Physics II, Linnstrasse 5, 04103 Leipzig, Germany Structure and mobility of molecules adsorbed in restricted geometry has been widely investigated by means of NMR spectroscopy. Very often nuclear spins were used (e.g. 13C and 15N), where a sufficient spectral resolution can be achieved because of large chemical shifts and J coupling constants. In case of proton NMR spectroscopy, however, the applicability of NMR spectroscopy to molecules adsorbed on surfaces is often limited due to the poor resolution. A notable enhancement in resolution of the spectra may be achieved when the susceptibility broadening is averaged out by the application of MAS techniques.
The lecture given has the following aim We will introduce into fundamentals of MAS NMR, treat the influence of thermal motions in the coherent averages of magic angle spinning, discuss the influence of thermal motion on the spinning side bands and describe advantages and shortcoming of this technique. It will be also shown how in all these studies the definite preparation of the MAS samples in vacuo may be achieved.
Furthermore, we will discuss how the information on thermal mobility derived from the side-band analysis in 1H MAS NMR experiments can be combined with the study of proton spin relaxation over a wider temperature range.
The applicability of two-dimensional NMR of adsorbed molecules is discussed.
To get further insights in the complex dynamics of confined molecules, we present also 2H NMR line shape and spin-lattice relaxation measurements over a wide Solid State NMR of Nuclei with quadrupole moments University Leipzig, Institut for Experimental Physics II, Linnstrasse 5, 04103 Leipzig, Germany The aim of this lecture is to introduce into fundamentals of quadrupole perturbed NMR spectroscopy, to explain the peculiarities of the line shape analysis for quadrupole nuclei in to discuss advantages and shortcomings of MAS NMR studies for quadrupole to explain the double rotation NMR, and to introduce into multiple quantum NMR spectroscopy of quadrupole nuclei.
Applications of these techniques to 17O and 27Al NMR studies of powdered solids ЯМР спектроскопия простейших газов и проблемы минимизации погрешности при определении магнитных 190005, Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Метрологии имени Д. И. Менделеева, Санкт-Петербург, Московский пр., д. E-mail: [email protected] Введение За последние годы погрешность определения ряда фундаментальных физических констант (ФФК) существенно снижена [1]. Например, погрешности, с которой известны атомные массы легчайших ядер, уменьшены до величины порядка 10-10. Это оказалось возможным из-за использования более высоких магнитных полей и новых возможностей по автоматизации экспериментов с применением цифровых процессорных устройств. По этой же причине следует ожидать снижение погрешности при определении магнитных моментов легчайших ядер.
С минимальной погрешностью магнитный момент дейтрона в единицах магнитного момента протона d(DH)/p(HD) = 0.307 012 207 85(35) был определен в работе [2] с помощью ЯМР спектроскопии при одновременной регистрации сигналов от протонов и дейтронов молекулярного дейтероводорода HD. Причем, использовалось поле сверхпроводящего магнита (4.7 Тл), но без стабилизации поля по ЯМР сигналу от третьего ядра.
Далее эта ФФК определялась в работе [3] в поле 7,05 Тл. Однако, в этом случае, сигналы от протонов и дейтронов HD регистрировали не одновременно, а последовательно и связь двух шкал (протонных и дейтронных сигналов) осуществляли с помощью сигналов от изотопной смеси: (СН3)2СО и (СD3)2CO. Оба способа не являются оптимальными для достижения минимальной погрешности и для этой ФФК планируются новые эксперименты.
Магнитный момент трития t/p = 1.066639908(3) был определен более 30 лет назад в экспериментах [4] с использованием водорода с изотопным замещением НТ.
Причем, поскольку авторы смогли изготовить образец с радиоактивным тритием, имеющим давление около 130 атмосфер, то повторить такую работу, подтвердить или опровергнуть результат [4], оказывается очень трудной задачей.
Магнитный момент гелия-3 с сопоставимой малой погрешностью определяли в работах [5], с результатом Не3)/(Н2) = 0.761786635(4), и в работе [6], с результатом Не3)/(Н2О) = 0.7617861313(33). Как видим, сигналы от гелия-3 регистрировали относительно протонов водорода [5] и протонов воды [6].
Однако разность экранирования протонов в водороде и в воде доступна для прямых достаточно точных измерений. Если учесть данные по разности экранирования протонов в воде и в водороде [5], то два представленных результата для Не3) [5,6] не совпадают. Результаты расходятся на более чем на десять стандартных отклонений от заявленной точности.
Отметим, что в работе [5] было использовано высокое давление в образце (6 - 7 атм). А в работе [6], напротив, использовано низкое давление гелия-3 (0.004 атм) и для увеличения сигнала применялась оптическая накачка. Однако, по-видимому, такое различие экспериментов не должно быть причиной несогласованности данных для Не3) [5,6]. В этой связи, планируется провести поиск возможных источников систематических погрешностей.
ЯМР спектрометр для регистрации сигналов от Не- В институте метрологии им. Д.И. Менделеева на основе использования электромагнита с полем 2.142 Тл проводится наладка ЯМР спектрометра для определения Не3)/(Н2). На рис.1 представлена блок-схема ЯМР спектрометра, предназначенного для регистрации ЯМР сигналов от трех ядер: протонов, ядер дейтерия и ядер гелия-3. Основной образец содержит смесь газов: дейтероводорода HD и гелия-3.
Рис. 1. Блок-схема ЯМР спектрометра для одновременной регистрации сигналов от протонов, дейтронов и ядер гелия-3; УПЧ – усилители и преобразователи частот ЯМР сигналов; ФЗИ – формирователи запускающих импульсов; ФД – фазовые Сигналы от протонов возбуждают и регистрируют на частоте 91.2 МГц; а от ядер гелия-3 на частоте 69.4736842 МГц. Ампула с газом размещена в центре стандартной ампулы с диаметром 10 мм.
Кольцевое пространство между ампулой с газом и внутренней стенкой основной ампулы заполнено дейтерированным ацетоном (CD3)2CO. Сигнал от дейтронов возбуждают на частоте 14 МГц и используют для стабилизации резонансных условий.
Работа ЯМР спектрометра на трех ядрах обеспечивается с помощью синтезатора частот, в состав которого входят простейшие делители и умножители частоты (рис. 1) кварцевого генератора 5 МГц.
В синтезаторе формируются частоты: 4, 50, 31.2 и 59.4736842 МГц, используемые далее как для формирования импульсов возбуждения, так и преобразования ЯМР сигналов в частоту 10 МГц и далее в частоту диапазона низких частот.
Используя данные предшествующих работ [4,5] можно показать, что при использовании поля В = 2.142 Тл целесообразно стабилизировать магнитное поле по сигналу от (CD3)2CO на боковой нижней частоте при импульсной модуляции 430 Гц частоты 14 МГц. Тогда ЯМР сигнал от протонов HD будет ниже частоты возбуждения 91. МГц примерно на 680 Гц, а частота ЯМР сигнала от легия-3 будет выше частоты импульса возбуждения 69.4736842 МГц примерно на 750 Гц.
Следовательно, такой выбор синтезатора (рис. 1) позволяет использовать мягкий режим возбуждения сигналов: возможно использование импульсов возбуждения с амплитудой порядка десяти вольт и с длительностью порядка 50 - 100 мкс. В настоящее время образец с гелием-3 и с дейтероводородом изготавливается в одной из лабораторий ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
Благодарности Работа выполняется при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, грант РФФИ № 08-02-13562.
Литература 1. P.J. Mohr, B.N. Taylor. Rev. Mod. Phys., Vol. 77(1), 1, (2005).
2. М. В. Горшков, Ю.И. Неронов и др., ДАН СССР, 305, № 6, 1362 (1989).
3. Yu.I. Neronov, S.G. Karshenboim, Physics Letters A 318, 126 (2003).
4. Ю.И. Неронов, А.Е. Барзах., ЖЭТФ, 72, 1695, (1977).
5. Ю.И. Неронов, А.Е. Барзах., ЖЭТФ, 75, 1521, (1978).
6. J.L. Flowers, B.W. Petley, M.G. Richards. Metrologia, 30, 75, (1993).
Основы квантово-химических расчетов молекул: выбор 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. E-mail: [email protected] Введение На сегодняшний момент квантовая химия является одним из мощнейших инструментов для определения структурных свойств вещества. Развитие новых методик расчетов и разработка новых перспективных базисов позволяют применять этот подход для получения более точных сведений о все более сложных системах.
В докладе будут рассмотрены основы квантово-химических расчетов молекул и молекулярных кластеров, описаны различные методы расчетов (метод Хартри-Фока, метод теории возмущения Мёллера-Плессе, многоконфигурационные расчеты, в том числе метод связанных кластеров, и метод функционала плотности) и атомные базисы.
Хорошо известно, что результаты квантово-химических расчетов зависят от выбора базиса и метода расчета, поэтому большое внимание будет уделено сравнению этих параметров и их правильному применению для решения различных задач.
Использование корреляционных методов спектроскопии ЯМР для изучения быстрых конформационных превращений стероидных молекул в растворе 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, химический факультет, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр. E-mail: [email protected] Хорошо известно, что гормональное действие стероидных эстрогенов, опосредованное соответствующими ядерными рецепторами, определяется особенностями строения лиганд-рецепторных комплексов. Моделирование структуры таких комплексов позволяет объяснить сродство лигандов к рецепторам и предсказать гормональные эффекты неизвестных ранее веществ. Это расширяет возможности для целенаправленного поиска и синтеза новых соединений с улучшенными биологическими свойствами.
Для успешной реализации указанной стратегии необходимо иметь достоверную информацию о пространственной структуре и внутримолекулярной динамике различных групп эстрогенов с «не природным» сочленением колец В, C и D. Такая информация может быть получена на основе сопоставления данных РСА в кристалле и спектроскопии ЯМР в растворе [1, 2].
Совершенно очевидно, что при использовании спектроскопии ЯМР для доказательства внутримолекулярной динамики стероидных молекул наиболее сложным является случай быстрых (в шкале времени этого метода) конформационных превращений и низкой населенности минорных конформеров, когда все наблюдаемые спектральные и релаксационные параметры оказываются усредненными по времени. В этом случае использование низких температур для спектрального разделения сигналов каждого из конформеров в условиях медленного в шкале времени ЯМР обмена и, соответственно, прямого доказательства их существования в растворе, как правило, не дает желаемого результата из-за «вымораживания» наименее термодинамически устойчивых из них.
В данном сообщении анализируются экспериментальные и методологические проблемы использования различных гомо- и гетероядерных корреляционных методов спектроскопии ЯМР для идентификации сигналов в спектрах на ядрах 1Н и 13С, а также температурных зависимостей химических сдвигов, скалярных констант 2-5JH-H, 1JC-H, и скоростей кросс-релаксации Н-Н для доказательства существования и количественного описания конформационных равновесий в растворе различных изоаналогов стероидных эстрогенов в условиях быстрого в шкале времени ЯМР обмена.
Благодарность Автор выражает искреннюю благодарность профессору Шавве А. Г. и всем сотрудникам кафедры природных соединений химического факультета СПбГУ за синтез исследованных стероидных эстрогенов, а также Ивану Сергеевичу Подкорытову за обсуждение полученных результатов.
Литература 1. С. И. Селиванов, А.Г. Шавва. Биоорганическая химия. 2002. Т. 28. № 3. С.
220-235.
2. С. И. Селиванов, А.Ю. Соловьев, С.Н. Морозкина, А.Г. Шавва. Биоорганическая химия. 2007. Т. 33. № 3. С. 324-231.
Спектроскопия ядерного гамма-резонанса и селективный по глубине анализ сверхтонких взаимодействий 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр. E-mail: [email protected] Прошло 50 лет с момента открытия в 1958 г. Рудольфом Мессбауэром явления резонансной ядерной флуоресценции. Основанный на этом явлении спектральный метод получил название мессбауэровской спектроскопии (иногда ядерной гаммарезонансной спектроскопии). Метод сразу же превратилась в мощный аналитический инструмент, нашедший широкое применение в различных областях науки и техники, таких как: материаловедение, химия, биология, геология, минералогия и др. Как и всякий спектроскопический метод – мессбауэровская спектроскопия основана на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, приводящем к определенным энергетическим переходам. Она имеет сходство с такими широко известными методами, как радиоспектроскопические методы – ЯМР и ЯКР или методы атомной и молекулярной спектроскопии. Интенсивное развитие рентгеновской оптики поверхности стимулировало появление ряда новых поверхностно-чувствительных методов, в основе которых лежит комбинация эффекта полного внешнего отражения (ПВО) и различных спектроскопических и дифрактометрических методик, среди которых находится и мессбауэровская спектроскопия. Использование особенностей геометрии скользящего падения в мессбауэровских экспериментах позволило создать новый селективный по глубине поверхностно-чувствительный метод - мессбауэровскую рефлектометрию (МР), определяющую профиль сверхтонких взаимодействий на ядрах резонансных атомов в ультратонких слоях поверхности за счет. Данные, получаемые с помощью МР, имеют очень важное значение для таких областей как: магнетизм поверхностей и границ раздела, диффузионные и адсорбционные процессы на поверхности, химия поверхности (катализ, коррозия) и т.д.
Интенсивное развитие исследований по ядерному резонансному рассеянию на синхротронных источниках излучения привело к появлению МР синхротронного излучения (МР СИ). Пульсирующий характер СИ позволил выделять ядерно-резонансный отклик среды с помощью временной развертки рассеянного импульса.
В докладе будут рассмотрены физические основы мессбауэровской спектроскопии и ее применение для селективного по глубине анализа поверхности на основе принципов рентгеновской оптики. Примеры практического применения нового подхода будут проиллюстрированы результатами исследований профилей распределения сверхтонких полей для различных объектов пониженной размерности (многослойные синтетические структуры и ультратонкие слои поверхности). Предполагается изложить последние достижения по возбуждению ядерных резонансных уровней с помощью источников синхротронного излучения и рассмотреть экспериментальные результаты и методы их обработки с целью извлечения селективной по глубине информации.
Приложения ЭПР в науке и промышленной деятельности 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. В первой части лекции рассматриваются основные моменты связи параметров спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) - тонкой, сверхтонкой и суперсверхтонкой структур, величин их расщеплений, относительных амплитуд линий - с физической природой парамагнитных центров, дающих конкретный сигнал, и свойствами матрицы, в которой они локализованы. Дается краткое представление об аппаратуре, методиках эксперимента и объектах исследования. На этой основе формируется круг задач, для решения которых целесообразно применение метода ЭПР Далее, на конкретных примерах демонстрируется опыт применения электронного парамагнитного резонанса для решения задач в физике, химии, геологии, биологии, медицине, экологии, культурологии, пищевой промышленности и других отраслях промышленности.
В заключение рассматриваются перспективы развития данного метода и возможностей его применения в науке и промышленности.
Методы многоквантового ЯМР для исследования квантомеханической запутанности Институт проблем химической физики РАН, 142432 Московская область, г. Черноголовка Квантовомеханическая запутанность является основным ресурсом, обеспечивающим преимущества квантовых компьютеров по сравнению с классическими, позволяет реализовать телепортацию и используется в квантовой криптографии [1]. В классической физике полная информация о системе обеспечивает полную информацию и о каждой ее подсистеме. В квантовой системе это не так. Например, в синглетном состоянии - функция двухспиновой системы не дает информации о состоянии каждого спина. В то же время, если удалось узнать состояние первого спина, то автоматически становится известным и состояние второго спина. Состояние (1) называется запутанным, а описанные квантовые корреляции называются запутанностью [1]. Для многоспиновых систем взаимодействующих ядерных спинов, описываемых матрицей плотности, разработаны критерии, позволяющие определить, запутаны ли различные подсистемы или нет [2,3]. Полное решение вопроса о запутанности и ее количественной характеристике– мере удалось получить только в двухспиновых (двухкубитных) системах [2].
Для исследования запутанности методами ЯМР удобно выбирать твердофазные системы, содержащие пары близко расположенных спинов. Мы использовали для исследования запутанности многоквантовую (МК) спектроскопию ЯМР в твердых телах[4]. В двухспиновой системе в МК эксперименте ЯМР возникают только МК когерентности нулевого и плюс/минус-второго порядков [5]. В МК спектроскопии ЯМР система спинов, связанных диполь-дипольными взаимодействиями, в начале эксперимента находится в термодинамическом равновесии в сильном внешнем магнитном поле. При этом возникает только МК когерентность нулевого порядка, и система находится в сепарабельном (незапутанном) состоянии. В ходе МК эксперимента ЯМР возникают МК когерентности плюс/минус-второго порядка. Когда интенсивность этих когерентностей превышает некоторую величину (барьер), определяемую внешним магнитным полем и температурой, в системе возникает запутанное состояние. Можно ввести так называемый свидетель запутанности (СЗ), определяемый разностью между величиной указанного барьера и интенсивностью МК когерентности второго порядка[5].
СЗ позволяет по экспериментальным данным определить, имеется ли в системе запутанность и в рассмотренном двухспиновом случае найти ее меру. Мы нашли [5], что в МК эксперименте ЯМР, проведенном на спектрометре с рабочей частотой 500 МГц на протонах, запутанность возникает при температуре 27 мК.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 07-07-00048).
Литература 1. M.A.Nielsen, I.L.Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, 2000.
2. W.K.Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245-2248 (1998).
3. A. Peres, Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996).
4. J. Baum, M. Munowitz, A.N. Garroway, A. Pines, J.Chem. Phys. 107, 7067 (1997).
5. E.B.Feld`man, A.N.Pyrkov, Письма в ЖЭТФ 88, 454 (2008).
Принципы получения ЯМР-изображений 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. E-mail: [email protected] Введение Магнитный резонанс давно зарекомендовал себя как уникальный аналитический метод и метод исследования микроскопической структуры и молекулярной динамики.
Однако существует специфическая область применений магнитного резонанса, основанная на возможности идентифицировать локализацию информации, содержащейся в сигналах, принимаемых от исследуемого объекта. Представление этой информации (т.е. пространственной зависимости параметров, характеризующих сигнал магнитного резонанса) в наглядной форме называют магнитнорезонансным изображением. Магнитнорезонансные изображения (магнитнорезонансные томограммы) могут быть получены на основе как ядерного (ЯМР), так и электронного парамагнитного (ЭПР) резонансов. Но если ЭПР-томография используется как лабораторный метод исследования (например, для получения информации о пространственном распределении свободных радикалов или других парамагнитных центров в изучаемом образце), то ЯМРтомография (МРТ) в первую очередь используется в диагностической медицине. Широкое распространение МРТ объясняется, с одной стороны, практически полной безвредностью для пациента, с другой – высокой информативностью. Существенно при этом, что характер информации может целенаправленно изменяться оператором в зависимости от целей исследования. Интенсивность пикселов ЯМР-изображения может отображать концентрацию определенного изотопа, или, что эквивалентно, определенного химического элемента (обычно протонов); малые локальные изменения структуры и динамики молекулярного окружения и межмолекулярных взаимодействий; пространственное распределение скорости и направления самодиффузии; скорость и характер макроскопического движения жидкости.
МРТ применяется не только в медицине, но и в психологии, физиологии растений и животных, биофизике, разведочной геофизике, материаловедении, химических и строительных технологиях, физиологии и т.д.
Локализация сигналов ЯМР Ядерная магнитнорезонансная томография представляет особый интерес для физиков, так как она в принципе отличается от всех остальных способов визуализации, не являясь по своей сущности лучевым методом, и проблемой является локализация сигналов магнитного резонанса, иначе говоря, установление соответствия между сигналом ЯМР от некоторого элемента объема объекта и положением в пространстве этого элемента. Существует много способов установления такого соответствия, но в основе всех их лежит пропорциональность между частотой магнитного резонанса и значением магнитного поля. Общим признаком всех методов локализации является то, что эксперимент выполняется в неоднородном магнитном поле со специально сформированным характером неоднородности. Так как в неоднородном поле разным точкам пространства соответствуют разные частоты резонанса, то пространство координат оказывается отображенным на пространство частот. Однако такое отображение из-за топологических свойств магнитного поля не является однозначным: одной и той же частоте соответствует не одна, а множество точек пространства, расположенных на некоторой поверхности. Указанную трудность преодолевают путем последовательного изменения характера неоднородности в ходе эксперимента. Получаемые при этом от объекта сеЛекции рии сигналов магнитного резонанса уже содержат информацию о пространственном распределении некоторого параметра, определяющего этот сигнал, но эта информация заключена в нем в неявном (закодированном) виде. Расшифровка сигнала (декодирование) производится путем математической обработки полученных данных. В зависимости от характера воздействий на спиновую систему в процессе кодирования и от способа обработки может быть получено пространственное распределение и его наглядное изображение (картирование, или визуализация) различных параметров, от которых зависит ядерная намагниченность. Именно это лежит в основе возможности визуализации различных характеристик веществ, входящих в состав исследуемого объекта.
Магнитнорезонансный контраст В лекции описывается конструирование последовательностей радиочастотных и градиентных импульсов, позволяющих усилить контраст магнитнорезонансных томограмм за счет различных способов отображения зон объекта, характеризующихся разными временами спин-спиновой или спин-решеточной релаксации. Рассматривается получение изображений, взвешенных по этим параметрам, или же визуализирующих сами эти параметры, с примерами диагностических применений и применений для анализа свойств геологических пород. Особый интерес с принципиальной и практической точек зрения представляют методы, отображающие пространственное распределение тензора самодиффузии. Направления наибольшей скорости диффузии отображают ориентацию нервных проводящих каналов. Разнообразные варианты импульсных последовательностей на базе серии Карра – Перселла позволяют получить как усиленный контраст по спин-спиновой релаксации, так и ускорить съем данных за счет многослойной томографии, или же реализовать выполнение так называемого «фазового кодирования»
за один цикл измерений («ускоренные» импульсные последовательности). Другим направлением в развитии методов быстрой регистрации данных является использование не 90-градусных радиочастотных импульсов, а импульсов, отклоняющих равновесную ядерную намагниченность на малый угол.
Градиентное эхо В отличие от ЯМР-спектроскопии, в которой используется спиновое эхо Хана, в МРТ оказывается очень полезным градиентное спиновое эхо, с помощью которого получают томограммы, отображающие распределение малых локальных неоднородностей магнитного поля, обусловленных неоднородностью магнитных свойств самого объекта. Впечатляющим применением этого метода является функциональная томография, основанная на разнице в магнитных восприимчивостях свежей и «отработанной» крови, отдавшей кислород. Поскольку активность органа всегда связана с усиленным притоком крови, появляется возможность визуализировать, например, активные в момент снятия томограммы участки головного мозга. Другим применением импульсных последовательностей с градиентным эхом является «быстрая томография», позволяющая даже получить изображения сердца в реальном времени. Сигналы градиентного эха применяются в методах, отображающих макроскопическое движение жидкости, известных в медицинских применениях под объединяющим названием «магнитнорезонансная ангиография».
Просто о сложном: магнитный резонанс 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. Основные явления, относящиеся к понятию «магнитный резонанс» – ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – представляют собой интересные физические явления и, одновременно, мощные методы исследования вещества на микро-, нано- и макро-уровнях. (О ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР) – в Школе будет отдельная лекция). Целью этой лекции является дать представление о ЯМР и ЭПР тем, кто приехал на Школу с «нулевыми» (или почти «нулевыми») знаниями о физике этих явлений, и оттенить те черты этих явлений, которые могут быть неизвестными или «слишком привычными» для широкого круга специалистов. К таким вопросам, по-видимому, относятся:
1. Есть ли связь между классическим и квантово-механическим описанием 2. Магнитная релаксация – уникальное явление в спектроскопии.
3. «Кто» главнее: ЯМР или ЭПР?
4. g-факторы бывают разные.
5. «Плюсы и минусы» качественного и количественного анализа с помощью 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, д. Важный шаг в развитии квантовой радиофизики связан с выходом в 1954 – 1955 гг. статей американских (Дж. Гордон, Г. Цайгер, Ч. Таунс) и советских (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) физиков, создавших независимо друг от друга первые квантовые генераторы на пучке молекул аммиака. Квантовые генераторы, созданные на пучках атомов и молекул, сразу же привлекли внимание ученых своими уникальными свойствами: уже первые приборы обеспечивали относительную нестабильность генерируемой частоты порядка 10-8 (точность отсчета времени астрономическими методами), а вскоре были достигнуты показатели 10-12 - 10-13. В настоящее время генератор на пучке атомов водорода характеризуется нестабильностью ±2·10-14 за сутки и воспроизводимостью частоты ±5·10-13. Высокая стабильность частоты квантовых генераторов определила применение их в качестве устройств хранения точного времени - эталонов времени и частоты. Межведомственной комиссией единой службы времени СССР было принято решение о переходе с 1 января 1972 года на новую систему Всемирного координированного времени, в основу которой положен «атомный масштаб времени».
Почти одновременно с квантовыми генераторами были созданы и квантовые усилители, основным достоинством которых является крайне низкий уровень собственных шумов. Наиболее перспективными из них оказались приборы, построенные на основе ЭПР в твердых телах. В 1956 г. Н. Бломберген показал, что на основе ЭПР в системах с несколькими энергетическими уровнями можно создать квантовый усилитель непрерывного действия, если использовать вспомогательное излучение для поляризации электронных спинов. Квантовые усилители открыли новые возможности в целом ряде областей науки и техники: с их помощью была осуществлена первая в истории передача телевизионного изображения из Америки в Европу с использованием искусственного спутника Земли в качестве пассивного отражателя радиоволн, произведена радиолокация многих планет Солнечной системы (для того чтобы представить себе трудности приема отраженных от планет сигналов, укажем, что сигнал, прошедший путь до Венеры и обратно, ослабляется в 1027 раз.
Устные доклады ЭПР суперионных кристаллов CaF2, легированных ионами 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. E-mail: [email protected] Введение К твердым электролитам (ТЭЛ) относятся кристаллы с величиной ионной проводимости больше 10-3 Ом-1 см-1. Одним из наиболее распространенных типов ТЭЛ являются нестехиометрические кристаллы фторидов некоторых металлов (CaF2, BaF2, PbF2, SrF2), имеющие одинаковую структуру, в которых суперионные свойства начинают проявляться при нагревании до температур на 200 — 450 К ниже температуры плавления. Известно [1], что причиной увеличения ионной проводимости является наличие в кристаллах примесей, которые могут вызывать структурное разупорядочение кристаллической решетки.
Методика эксперимента Исследуемые образцы представляют собой монокристаллы флюорита (CaF2), содержащие ионы Eu2+ в количестве 0,1% и 0,01% (молярные проценты). Кристаллы выращены на химическом факультете СПбГУ.
Измерение спектров ЭПР проводилось на спектрометре X — диапазона при температурах 293 К и 77 К. Кристаллы ориентировались с помощью специального гониометра. Все спектры измерялись при ориентации B0 || [001].
Результаты измерений На спектрах ЭПР (рис. 1) отчетливо видны линии, относящиеся к кубическим центрам европия [2]. Помимо этого, нам удалось обнаружить линии малой интенсивности, создаваемые ионами Eu2+, находящимися в кристаллическом поле с некубической симметрией, что не характерно в случае изовалентного изоморфизма.
Рис. 1. Спектр ЭПР образца CaF2 с концентрацией Eu 0,1% Наличие некубических центров свидетельствует о том, что некоторое количество примесных ионов вызывают деформацию кристаллической решетки вокруг себя.
Некубические центры наблюдаются в образцах как при концентрации 0,1%, так и при концентрации 0,01%.
Спектр ЭПР образца с концентрацией ионов европия 0,01% (рис. 2) имеет такую же структуру, но линии некубических центров европия на нем имеют исчезающе малую амплитуду.
Рис. 2. Спектр ЭПР образца CaF2 с концентрацией Eu 0,01% Помимо этого, в спектре присутствуют линии спектра ионов Mn2+ и, предположительно, ионов Gd3+. На рис. 3 хорошо видно 6 линий сверхтонкой структуры марганца, соответствующие переходу -. Необходимо отметить, что супер сверхтонкая структура (ССТС) спектра ионов Mn2+, содержащихся в образцах расщеплена, как минимум, на 11 линий, что не характерно для марганца в кубическом окружении.
Такая структура спектра марганца свидетельствует как об увеличении ковалентности химической связи, так и о наличии структурных искажений в кристалле.
Обсуждение результатов Вышеуказанные факты могут свидетельствовать об образовании в кристалле структурных искажений, которые, при достаточной концентрации, могут вызывать разупорядочение структуры и стать причиной увеличения ионной проводимости.
Авторами сделано предположение, что кубическая ячейка из ионов фтора вокруг европия деформируется таким образом, что образуется квадратная антипризма (рис. 4), но повернутая на угол < /2. Для проверки этого предположения начаты расчет параметров потенциала кристаллического поля такой структуры, чтобы в дальнейшем можно было сравнить их с экспериментальными данными.
Рис. 4. Ближайшее окружение иона Eu2+ в ячейке, имеющей форму куба Томсона Параметры спин-гамильтониана рассчитываются в приближении точечных зарядов [3]. Такая модель с высокой точностью соответствует кристаллу CaF2, который является одним из представителей чисто ионных соединений. Вычисления показали, что при переходе к кубу Томсона симметрия потенциала кристаллического поля понижается до аксиальной. При этом параметр потенциала кристаллического поля b20, отвечающий за аксиальную составляющую, линейно зависит от угла поворота.
Литература 1. И.Ю. Готлиб, И.В. Мурин, Е.М. Пиотровская, Е.Н. Бродская // Неорг.
Материалы, т. 37, №9, с. 1144-1148, (2001).
2. J.M. Baker, B. Bleaney, W. Hayes // Proc. Royal Soc. A, v. 247, N 1249, pp. 141-151, 3. M.T. Hutching // Solid St. Phys. v. 16, pp. 227-273, (1964).
Квантово-химические расчеты гидратных оболочек иона 198504, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. Введение Растворы электролитов представляют особый интерес ввиду их важной роли в физических, химических, биологических и технологических процессах. Изучение микроструктуры растворов электролитов методом ЯМР-релаксации является весьма перспективным за счет варьирования условий эксперимента в широких пределах. [1] Одним из мощнейших инструментов для моделирования подобных структур является квантовая химия. Развитие квантово-химического моделирования позволяет применить этот подход для получения более точных сведений о сложных системах.
Однако результаты подобных вычислений зависят от выбора метода расчета, базиса и начальной геометрии. На это необходимо уделить особое внимание и проводить тщательный анализ полученных данных.
В работе представлены результаты квантово-химических расчетов иона CD3COO-, окруженного различным количеством молекул воды. В этом случае объединенные водородными связями водные кластеры играют роль переходного звена между изолированной молекулой и жидкостью и заменяют при расчетах ту или иную структуру раствора, позволяя получить обширные данные о микроструктуре и особенностях организации гидратных оболочек ионов.
Эксперимент На кафедре КМЯ физического факультета СПбГУ был проведен эксперимент по изучению водных растворов уксусной кислоты. В ходе эксперимента измерялись концентрационные зависимости относительных скоростей спин-решеточной релаксации дейтронов в водных растворах уксусной кислоты при различных температурах. Основной результат, важный для моделирования, - это координационное число иона CD3COO-, которое оказалось равным 7 [2].
В более ранних экспериментах по изучению водных растворов, содержащих ион DСОО-, рассматривались концентрационные зависимости относительных скоростей спин-решеточной релаксации протонов, и для гидратной оболочки иона DСОО- было получено координационное число 4. Из этого вытекает распределение для уксусной кислоты, в котором 4 молекулы воды координируются около группы СОО-2 и еще 3 молекулы воды - около, казалось бы, гидрофобной метильной группы СD3 [3, 4, 5].
Моделирование Для моделирования применялись квантово-химические пакеты Gaussian98 и Gaussian03. Расчеты выполнялись с использованием вычислительных мощностей ПТЦ СПбГУ.
В качестве методики расчета был выбран метод функционала плотности с использованием гибридного функционала B3LYP. Этот метод является компромиссом между точностью, ресурсоемкостью и скоростью вычислений, что является немаловажным при расчете сложных структур. Тот же критерий был предъявлен и к выбору базисного набора. Необходимо учесть, что при расчете систем с водородными связями для лучшего описания распределения электронной плотности в периферийных областях молекулы добавляют диффузионные функции. Принимая во внимание, что моделируются кластеры, включающие в себя молекулы воды, то предпочтительнее базисы, включающие в свой состав диффузионные функции для атомов кислорода и водорода.
Для расчетов был выбран двойной валентно-расщепленный базисный набор 6-31++G**, расширенный поляризационными и диффузными функциями.
Квантово-химические расчеты производились для иона CD3COO-, окруженного различным количеством молекул воды (4, 6, 16 и более молекул воды). Поскольку результаты моделирования сильно зависят от начальной геометрии, для каждого молекулярного кластера была проведена оптимизация нескольких вероятных геометрий. Для построения кластера, при увеличении числа молекул воды, учитывалась тетраэдрическая структура воды в жидкой фазе (т. е. каждая молекула воды может быть окружена четырьмя ближайшими соседями) и оптимизированная геометрия меньшего кластера.
Расчеты показали, что количество молекул воды в первом гидратном слое иона около атомов кислорода равно 4. Этот результат хорошо соотносится с опытами [2-5] и подтверждает правило формирования гидратных оболочек около кислородосодержащих ионов [5].
Литература 1. В. И. Чижик. Ядерная магнитная релаксация. СПб, 2004 г. 388 с.
2. А. А. Воронцова. Микроструктура гидратных оболочек кислородосодержащих ионов по данным методов ЯМР-релаксации и квантовой химии // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. СПб, 3. V. I. Chizhik. NMR relaxation and microstructure of aqueous electrolyte solutions // Molecular Physics, 1997, Vol. 90, № 4, p. 653-659.
4. Чижик В. И., Матвеев В. В., Михайлов В. И., Клыкова Л. М. Степень диссоциации в водных растворах по данным ЯМР-релаксации // Журнал физической химии. 1998. Т. 72, № 4. с. 667-673.
5. V.I. Chizhik, A. V. Egorov, A. V. Komolkin, and A. A. Vorontsova. Microstructure and dynamics of electrolyte solutions containing polyatomic ions by NMR relaxation and molecular dynamics simulation // Journal of Molecular Liquids 98-99 (2002) p.
173-182.
Применение ферромагнитного резонанса при изучении наноструктурированных магнитных пленок Вызулин С. А.1, Горобинский А. В.1, Лебедева Е. В.2, Сырьев Н. Е. 350040, Кубанский государственный университет, Краснодар, Ставропольская, E-mail: [email protected] 119992, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, ГСП-2, Воробьевы горы E-mail: [email protected] В настоящее время проводятся интенсивные исследования композиционных магнитоупорядоченных материалов. Перспективными считаются структуры, состоящие из чередующихся магнитных и немагнитных слоев нанометровых размеров и гранулированные нанокомпозиты, которые состоят из магнитных гранул, внедренных в немагнитную матрицу. В таких структурах наблюдаются уникальные физические эффекты, в том числе эффект гигантского магнитного сопротивления, широко используемый на практике.
Одним из способов изучения динамических магнитных свойств, процессов структурной перестройки, особенностей взаимодействия в композиционных наноструктурах является метод ферромагнитного резонанса (ФМР).
В работе представлены результаты изучения спектров ФМР в пленочных многослойных структурах {[(Co45Fe45Zr10)m+(Al2O3)100-m]x+[-Si]y}z, где m – концентрация Co45Fe45Zr10 в магнитном слое; x и y – толщины магнитного слоя и прослойки, соответственно; n – число бислоев. Образцы были получены методом ионно-лучевого распыления навесок из Co45Fe45Zr10, и Al2O3 и -Si в атмосфере аргона на подложки из ситалла и кремния.
Были исследованы 4 серии образцов.
1. Нанокомпозиты, состоящие из наноразмерных аморфных кластеров Co45Fe45Zr10 размером 27 нм, внедренных в диэлектрическую аморфную матрицу Al2O3. Концентрация гранул m менялась от 31 до 64 ат. %.
«