Топология областей существования метастабильных состояний в бинарных системах
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ:
ТОПОЛОГИЯ ОБЛАСТЕЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В БИНАРНЫХ СИСТЕМАХ
Введение
Аннотация
В данной работе обсуждаются общие подходы и отдельные примеры топологии областей метастабильных состояний, дающих возможность построить качественно верные поверхности скоростей нуклеации, возникающей при фазовых переходах первого рода. Обсуждаются области параметров, приводящих к генерации наночастиц, что является задачей фундаментальной важности для нанобиотехнологии. Рассматриваются области существования метастабильного однокомпонетного пара, и с помощью полуэмпирических аппроксимаций конструируются области метастабильных состояний для бинарных систем. Обсуждается потеря монотонности и непрерывности поверхностей фазовых равновесий и спинодальных условий бинарных систем и связь этого явления с экспериментально выявленными разрывами первых производных поверхности скоростей нуклеации.
По результатам данной работы были сделаны два доклада на международной конференции по многомасштабному моделированию материалов, проходившей в 2008 году в США, г. Таллахаси, штат Флорида; доклад на Всероссийской научной конференции студентов физиков, проходившей в 2009 году в г. Кемерово, и доклад на Международной научной студенческой конферении в 2009 году в г. Новосибирске. Научные результаты опубликованы в соответствующих изданиях: Proceedings of multiscale materials modelig 2008, pp 538-541, ibid, pp 758-761; Материалы 15 Всероссийской научной конференции студентов-физиков (ВНКСФ-15) 2009, стр. 512; Материалы XLVII Международной студенческой конференции 2009, секция Физика, стр. 261. Подготовлена и отправлена рукопись в Журнал физической химии. Работа поддержана грантами РФФИ № 07-08-13529 офи-ц и № 07-03-00587-а.
Интерес к нанопроцессам, резко возросший в последние годы, обусловлен потенциальным высокоприбыльным применением результатов научных исследований практически во всех областях хозяйственной деятельности - материаловедении, энергетике, информатике, биотехнологии, медицине и других отраслях.
Развитие нанотехнологии применительно к медицинским задачам предполагает диагностику, лечение, предупреждение заболеваний. Это существенно корректирует сами подходы к их решению, что определяется сегодня как нанотехнологии в биомедицине. Одно из наиболее перспективных направлений в этой области - исследование и разработка эффективных систем целевой доставки лекарственных средств. Сюда входит и точная идентификация целевых объектов (клеток и рецепторов), и выбор оптимально подходящих наноносителей в специфических клинических условиях. Это должно обеспечивать необходимый отклик при минимальных побочных эффектах. Имеющиеся в арсенале нанотехнологии методы конструирования и получения наноразмерных объектов различной формы и состава способны предложить востребованные материалы. В том числе и так называемые интеллектуальные наноматериалы, способные изменять свою структурную организацию в процессе функционирования, подстраиваясь под изменяющиеся условия. Среди них наночастицы, обладающие функциями биологических имитаторов, полимерные структуры и нановолокна со свойствами биоматериалов, сенсорные и диагностические микроустройства, наномашины и нанолаборатории.
Чтобы успешно развиваться, нанотехнология нуждается в методическом аппарате для установления закономерностей, связывающих физико-химические свойства и области их проявления с формой и размерами наноструктур, функции с местом в системе, свойства частиц с механизмами управления ими. Решение возникающих при этом задач предполагает высокий уровень используемых традиционных и, в большей степени, вновь развиваемых методов исследования. Существующие методы нанотехнологии позволяют определять размеры частиц, исследовать их свойства в различных условиях, с учетом энергетического и химического окружения.
Процессы нуклеации при фазовых переходах первого рода могут быть использованы для генерации наночастиц. Этот подход имеет преимущество, состоящее в том, что, зная топологию поверхности скоростей зародышеобразования (нуклеации), можно прогнозировать кинетику генерации наночастиц, их размер и структуру, что в перспективе даёт возможность получать нанообъекты с заранее заданными свойствами и функциями.
В данной работе обсуждаются общие подходы и отдельные примеры топологий областей метастабильных состояний, приводящих к генерации наночастиц.
1. Нанобиообъекты. Краткий обзор
Представления о нанообъектах (объектах, имеющих размеры меньше 100 нм хотя бы в одном измерении) и процессах, в которых они участвуют, начали формироваться около 200 лет назад. В физике они рассматривались как ансамбли атомов или молекул (газов, жидкостей), в химии - как коллоиды, в биологии - как надмолекулярные комплексы и клеточные органеллы (функциональные блоки).
В последние несколько десятилетий из этих представлений сформировалась новая междисциплинарная область знаний (ее назывыают нанотехнологией), предметом исследований которой является материя в наносостоянии. Эта область вобрала в себя представления химии, физики, биологии, материаловедения и направлена на изучение свойств и механизмов структурообразования и самоорганизации неорганических, органических, гибридных органико-неорганических, а также биологических наноразмерных объекто