авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

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

Исследование физических свойств нанокомпозитных материалов и биологических сред при помощи акустических волн в пьезоэлектрических структурах

На правах рукописи

Шихабудинов Александр Магомедович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ПРИ ПОМОЩИ

АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

Специальность 01.04.03 – Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико - математических наук

Саратов 2011 1

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт радиотехни ки и электроники им. В.А.Котельникова РАН, Саратовский филиал.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Кузнецова Ирен Евгеньевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Анисимкин Владимир Иванович доктор физико-математических наук, профессор Сучков Сергей Германович

Ведущая организация: Акустический институт имени академика Н.Н.Андреева

Защита состоится «15» декабря 2011 в 17.30 час. на заседании диссертационного совета Д.212.243.01 в Саратовском государственном университете им.

Н.Г.Чернышевского по адресу: 410012, Саратов, ул.Астраханская,

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан «10» ноября 2011.

Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время в связи с возрастанием роли биологической и химической безопасности весьма актуальной задачей является разработка новых типов и со вершенствование известных моделей акустических газовых и биологических дат чиков. Подобные датчики основаны на регистрации изменений характеристик аку стических волн в пьезоэлектрических материалах и структурах при изменении па раметров окружающей среды [1]. Основными задачами

являются: повышение их чувствительности, селективности, термостабильности и быстроты отклика. Один из возможных путей повышения чувствительности указанных датчиков - это поиск новых материалов и структур, в которых акустические волны будут характеризо ваться большим значением коэффициента электромеханической связи. Для повы шения термостабильности можно использовать многослойные структуры, содер жащие как пьезоэлектрические материалы, так и слои из различных диэлектриче ских, в том числе новых нанокомпозитных материалов. Для увеличения быстроты отклика можно применять новые типы датчиков, на основе резонаторов на объем ных акустических волнах (ОАВ) с поперечным возбуждающим полем [2]. И, нако нец, для повышения селективности необходимо проводить поиск новых типов из бирательно чувствительных покрытий для разрабатываемых датчиков [3]. Однако, для реализации указанных выше возможностей вначале необходимо получить ин формацию о физических характеристиках, таких как плотность, диэлектрическая проницаемость, модули упругости и коэффициенты вязкости используемых мате риалов. К таким материалам можно отнести недавно синтезированные нанокомпо зитные материалы на основе полиэтилена высокого давления (ПЭВД) с внедрен ными наночастицами металлов и их соединений [4, 5]. Весьма важной является также информация о температурной зависимости диэлектрической проницаемости этих материалов. В последние годы появилась информация о чувствительности мицелиальных пленок к присутствию некоторых газов [3]. Поэтому весьма акту альным является выявление зависимостей указанных выше физических параметров этих пленок от присутствия различных газов с целью создания химических датчи ков. Кроме того, при разработке чувствительных датчиков на основе ОАВ резона торов с поперечным электрическим полем необходимо определить пути достиже ния максимального значения его добротности. В настоящее время ни одна из этих задач не решена. Известно достаточно большое количество работ, посвященных исследованию физических свойств вышеуказанных нанокомпозитных материалов [4, 5]. Исследовались их оптические и диэлектрические свойства, и было показано [4], что они сильно зависят от объемной концентрации наночастиц. Однако акусти ческие свойства этих материалов практически не были изучены. Также отсутствует информация о температурной зависимости диэлектрической проницаемости этих материалов в диапазоне температур 0-40С. Как уже отмечалось, в качестве актив ного элемента для химических датчиков на основе резонаторов на ОАВ можно ис пользовать пленки из экстрактов мицелия высших грибов [3]. Однако, анализ влияния различных газов на физические характеристики (плотность, модуль упру гости, диэлектрическую проницаемость и т.д.) такого покрытия не проводился.

Что касается резонаторов с поперечным возбуждающим полем, которые можно ис пользовать для создания биологических и химических датчиков [2], то основная трудность при их конструировании - это подавление нежелательных колебаний с целью обеспечения достаточно высокой добротности для выделенной резонансной частоты.

На основании всего вышесказанного можно сделать вывод об актуальности проблемы определения физических параметров новых нанокомпозитных материа лов и биологических сред при помощи акустических волн в пьезоэлектрических структурах.

Целью диссертационной работы является определение акустических и диэлек трических параметров новых полимерных нанокомпозитных материалов, изучение сорбционных свойств мицелиальных пленок и оценка возможности их применения при создании химических акустических датчиков, исследование путей улучшения характеристик резонаторов на объемных акустических волнах с поперечным элек трическим полем и разработка на его основе иммунологического акустического датчика.



Научная новизна работы 1. Разработана методика, позволяющая определять плотность, модули упругости и коэффициенты вязкости слоев из различных материалов с толщиной до 60 мкм и с ее помощью впервые определены вышеуказанные материальные постоянные по лимерных нанокомпозитных пленок с различным процентным содержанием нано частиц Fe, CdS, Fe2O3, Ag, NiO. Обнаружено, что путем изменения материала нано частиц и их объемной концентрации в пределах от 2% до 30% импеданс для про дольных и поперечных волн можно менять в пределах 78104 216104 кг/м2с и 24104 60104 кг/м2с, соответственно.

2. Впервые экспериментально исследовано влияние плотности наночастиц на мо дули упругости полимерных нанокомпозитных пленок. Показано, что с увеличени ем плотности материала наночастиц продольные модули упругости нанокомпозит ных материалов уменьшаются, а их эффективные коэффициенты вязкости, харак теризующие суммарные потери, практически не изменяются.

3. Впервые экспериментально исследовано влияние температуры формования на плотность получаемых нанокомпозитных пленок на основе ПЭВД. Показано, что для получения этих пленок с максимальной плотностью процесс их формования должен проводиться при температуре 110С.

4. Впервые экспериментально исследовано влияние температуры на диэлектриче скую проницаемость нанокомпозитных материалов на основе ПЭВД с различным процентым содержанием наночастиц железа в диапазоне от 0 до 40С. Обнаруже но, что диэлектрическая проницаемость с ростом температуры уменьшается и для нее отсутствует температурный гистерезис.

5. Разработан новый бесконтактный способ измерения диэлектрической прони цаемости непьезоэлектрических материалов, основанный на использовании SH волн распространяющихся в структуре «пьезоэлектрическая пластина –воздушный зазор – исследуемая среда».

6. Впервые исследовано влияние различных газов и летучих жидкостей на меха нические свойства пленок из экстрактов мицелия на различных стадиях его созре вания и с различными синтетическими добавками. Показана возможность исполь зования этого биоматериала в качестве активного покрытия для газовых акустиче ских датчиков.

7. Разработан новый способ подавления паразитных колебаний в пьезоэлектриче ском резонаторе с поперечным электрическим полем путем покрытия части элек тродов демпфирующим слоем. Показано, что этот способ позволяет менять доб ротность резонатора от 500 до 8000.

8. Впервые экспериментально подтверждено, что акустическая волна с попереч ной электрической поляризацией «ужестчается», причем степень «ужестчения» за висит не только от коэффициента электромеханической связи, но и от апертуры волны.

9. На основе резонатора с поперечным электрическим полем разработан биологи ческий датчик. Показано, что с его помощью можно определять наличие биоспе цифического взаимодействия и проводить количественный анализ бактериальных клеток непосредственно в жидкой фазе. Датчик также позволяет регистрировать указанное выше специфическое взаимодействие даже в присутствие посторонней микрофлоры.

Достоверность полученных в настоящей диссертации результатов определя ется, использованием новейшей измерительной аппаратуры (LCR-meter Agilent 4285A), использованием аппробированых методов, корректностью постановки экс периментов, совпадением экспериментальных результатов с данными, полученны ми другими методами, воспроизводимостью полученных результатов, а также ко личественным и качественным соответствием полученных в работе результатов теоретическим и экспериментальным данным других авторов.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Методика определения модулей упругости и коэффициентов вязкости пленок с толщиной до 60 мкм, основанная на измерении частотных зависимостей реальной и мнимой частей электрического импеданса пьезоэлектрического резонатора на объ емных акустических волнах, нагруженного исследуемой пленкой.

2. В нанокомпозитных материалах на основе полиэтилена высокого давления пу тем изменения материала наночастиц (Ag, NiO, Fe, Fe2O3, CdS) и их объемной кон центрации в пределах от 2% до 30% возможно изменение акустического импеданса для продольных и поперечных волн в пределах 78104 216104 кг/м2с и 60104 кг/м2с, соответственно.





3. С ростом температуры в диапазоне от 0 до 40С диэлектрическая проницае мость нанокомпозитных материалов на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами Fe уменьшается на ~10% при практически полном от сутствии температурного гистерезиса.

4. Путем нанесения демпфирующего покрытия на определенную часть электро дов пьезоэлектрического резонатора с поперечным возбуждающим электрическим полем добротность резонатора можно менять в широком диапазоне от 500 до 8000.

5. Биологический датчик на основе резонатора на объемных акустических волнах с поперечным возбуждающим электрическим полем позволяет определять наличие биоспецифического взаимодействия как в присутствии посторонней микрофлоры, так и при ее отсутствии с чувствительностью 100 клеток/мл.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Разработана технология создания однородных нанокомпозитных пленок (толщи ной до 60 мкм) из порошков ПЭВД, содержащих наночастицы различных металлов и их соединений.

2. Полученная информация об акустических свойствах нанокомпозитных материа лов на основе ПЭВД показывает возможность использования этих материалов для создания согласующих слоев для ультразвуковых излучателей и приемников аку стических волн в жидкости и газе.

3. Полученные температурные зависимости диэлектрической проницаемости нано композитных материалов на основе ПЭВД могут быть использованы для теорети ческого анализа характеристик акустических волн, распространяющихся в струк туре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитная пленка» для оптимизации характеристик указанных структур с целью уменьшения температурного коэффи циента задержки.

4. Показано, что мицелиальные пленки, выращенные по специальной технологии, могут быть использованы в акустических химических датчиках, чувствительных к таким газам и летучим жидкостям как аммиак, ацетон, соляная кислота и т.д.

5. Показано, что резонаторы с поперечным электрическим полем можно использо вать для создания на их основе датчиков для исследований специфических биоло гических реакций.

Апробация работы: Работа выполнена в лаборатории СФ-9 Саратовского филиала института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН в период 2007-2011 гг. Изложенные в диссертации результаты докладывались на Ultrasonic International (Vienna, Austria, 2007;

Santiago, Chile, 2009), IEEE International Ultrasonic Symposium (Beijing, China, 2008;

San-Diego, USA, 2010;

) Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, Россия, 2007, 2008, 2009, 2010), Int. Conf. AMAAV’ (Cairo, Egypt, 2009), 1st Int. Conf. On Nanostructured Materials and Nanocomposites (Kottayam, India, 2009), на научных семинарах Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, из которых 7 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 патента, 5 статей в трудах конференций, 11 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Результаты представленные в диссертации отражают личный вклад автора в работу: автор принимал непосредственное участие в про цессе актуализации проблемы и разработке математических моделей, самостоя тельно выполнил все эксперименты. Автор также принимал непосредственное уча стие в анализе полученных результатов и формулировке выводов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 120 наименований, в том числе работ автора. Объем работы составляет 173 страниц текста, включая 84 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, научная новизна и практическая ценность, изложено краткое содержание диссертации, а также определены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена разработке методики определения мо дулей упругости и коэффициентов вязкости пленок с толщиной до 60 мкм при по мощи резонатора на ОАВ с продольным электрическим полем. Разработана техно логия изготовления из порошка нанокомпозитных полимерных пленок с заданны ми геометрическими размерами. Показано, что для получения нанокомпозитных пленок на основе ПЭВД с минимальной пористостью или максимальной плотно стью необходимо использовать температуру формования порядка 110С. Отработа на технология обеспечения хорошего акустического контакта между резонатором и пленкой через слой касторового масла. Методика определения констант содержит 2 этапа. На первом этапе определяются точные значения параметров материала резонатора. Для этого при помощи комбинированного прецизионного измерителя LCR параметров Agilent 4285A измеряются частотные зависимости реальной и мнимой частей полного электрического импеданса резонатора без исследуемых пленок в области основного резонанса. Можно использовать резонаторы на про дольных волнах из лангасита и промышленные кварцевые резонаторы на сдвиго вых волнах. Выбор таких резонаторов обусловлен термостабильностью кристаллов в направлении возбуждаемых мод.

Затем в соответствие с эквивалентной схемой такого резонатора создается программа, позволяющая по всем известным параметрам (материальным констан там и геометрическим размерам) определять частотные зависимости реальной и мнимой частей электрического импеданса резонатора. В предположении, что тол щина резонатора и площадь электродов нам известны, строится целевая функция как сумма квадратов разности между теоретическими и экспериментальными зна чениями электрического импеданса для выбранных значений частоты в области ре зонанса. При этом действительная и мнимая части импеданса анализируются от дельно. Эта целевая функция зависит от искомых параметров, таких как модуль упругости, пьезоконстанта, диэлектрическая проницаемость, плотность и эффек тивная вязкость, включающая все источники потерь. Варьируя значения этих пара метров, определяется абсолютный минимум этой целевой функции. Значения па раметров, соответствующих этому минимуму и считаю искомыми.

На втором этапе определяются параметры исследуемой пленки. Для этого измеряются частотные характеристики реальной и мнимой частей указанного резо натора, нагруженного через слой касторового масла исследуемой пленкой (рис.1).

R, кОм X, кОм 5.0 - 2.5 - - 3.5 3.6 3.6 3.70 3.5 3.6 3.6 3. f, МГц f, МГц a) б) Рис.1. Частотные зависимости реальной (а) и мнимой (б) частей импеданса кварцевого ре зонатора с нанокомпозитной пленкой с процентным содержанием сульфида кадмия 30% (точки – эксперимент, сплошные линии – теория) Затем, аналогично первому этапу, в соответствие с эквивалентной схемой такого нагруженного резонатора создается соответствующая программа, позволяющая по всем известным параметрам материала резонатора, касторового масла и пленки рассчитать частотные зависимости реальной и мнимой частей электрического им педанса указанного резонатора. В предположении, что нам известны все параметры резонатора, масла и толщина пленки по аналогии с первым этапом строится целе вая функция, которая зависит от толщины слоя касторового масла, плотности, мо дуля упругости и коэффициента вязкости пленки. Варьируя значения этих пара метров, определяется абсолютный минимум этой целевой функции. Значения па раметров пленки, соответствующих этому минимуму и считаются искомыми. Ис пользуя данную методику, были определены значения продольных и поперечных модулей упругости и коэффициентов вязкости, а также плотность, для пленок с различным процентным содержанием наночастиц Fe, Fe2O3, CdS, NiO и Ag (табли ца).

Измеренные материальные константы полимерных нанокомпозитных пленок Z11104, Z66104,, кг/м3 11, Пас 66, Пас C11108 Па C66108Па Мат-ал кг/м2с кг/м2с Полиэт. 1001 30 45.1 0.7 0.4 173.3 26. Ag,% 20 1032 14.5 31.4 1.6 3.5 122.3 40. 30 1205 20 51.1 0.5 0.5 155.2 24. NiO,% 10 1002 14.8 28.4 2.0 1.2 121.8 44. 20 1206 5.3 9.6 1.2 1.1 79.9 CdS,% 5 1142 41 40.2 1.1 2.9 216.4 35. 10 1157 38 19.3 2.4 1.7 209.7 52. 30 1277 27 20 1.9 1.5 185.7 49. Fe,% 2 884.1 23.2 24.6 2.6 2.2 143.2 47. 5 918.6 20.1 6.2 2.8 2.3 135.9 50. 7 972.6 17.8 4 3.4 2.4 131.5 57. 12 993.7 15.1 7.6 3.5 1.1 122.5 58. 15 991.3 14 4 3.4 0.7 122.3 17 986.6 12.8 11.3 3.0 1.3 112.3 54. 20 1052.0 10.2 17.6 3.3 1.1 103.6 58. 25 1186.0 21.1 19.8 3.0 0.3 158.2 59. Fe2О3, % 1 893.6 17 8.3 1.5 2.5 123.3 36. 10 900.0 15 17.8 2.1 0.7 116.2 43. 15 922.3 20 27.8 2.4 1.7 135.8 47. 20 1037.0 29.6 17.6 2.5 1.1 175.2 50. 35 1116.0 29.2 38.7 2.9 1.7 180.5 56. Анализ показал, что изменение концентрации наночастиц влияет на акустические свойства нанокомпозитного материала – плотность, модули упругости и коэффи циенты вязкости. Следовательно, варьируя состав получаемого нанокомпозита пу тем изменения состава и концентрации наночастиц в нем, можно целенаправленно управлять его акустическими свойствами в определенных пределах. Также уста новлено, что во всех случаях акустический импеданс исследуемых нанокомпозит ных полимерных материалов вне зависимости от процентного содержания наноча стиц на 2-2.5 порядка меньше, чем соответствующий импеданс для известных пье зоэлектрических кристаллов. Обнаружено, акустический импеданс нанокомпозит ных полимерных материалов можно уменьшать путем использования наночастиц из более тяжелых материалов.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию диэлектрических свойств полимерных нанокомпозитных материалов. Исследова лись частотные зависимости нанокомпозитных материалов с различным содержа нием наночастиц Fe, Ag и NiO в матрице из ПЭВД при комнатной температуре 25С, а также температурные зависимости диэлектрической проницаемости нано композитных материалов с различным содержанием наночастиц Fe. Для измерения температурных зависимостей диэлектрической проницаемости была создана спе циальная экспериментальная установка, предполагающая вакуумную откачку об разца, для предотвращения появления конденсата на образце вблизи нулевой тем пературы. Для измерений диэлектрической проницаемости использовался преци зионный измеритель LCR параметров Agilent 4285A.

В связи с тем, что исследуемые нанокомпозитные полимерные материалы яв ляются достаточно мягкими, а это приводит к определенным технологическим трудностям при измерении их диэлектрической проницаемости стандартными ме тодами, во второй главе диссертации был развит новый бесконтактный способ оп ределения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков, который был апробирован на исследуемых нанокомпозитных материалах. Данный способ осно ван на использовании SH0 волн распространяющихся в структуре «пьезоэлектриче ская пластина – воздушный зазор – исследуемый материал». Известно, что при возбуждении SH0 волны при помощи ВШП, нанесенных на поверхность, в области между ними возникает электростатическое поле, выходящее за пределы пластины.

Размещение в этой области диэлектрической среды будет приводить к изменению фазы выходного сигнала. Это связано с частичной экранировкой пьезополей, со провождающих SH0 волну. Градуировочная зависимость диэлектрической прони цаемости известных материалов от значения фазы выходного сигнала указанной волны может быть использована для определения проницаемости исследуемых ма териалов.

Исследования показали, что с ростом частоты диэлектрическая проницае мость вышеуказанных материалов уменьшается. Для различных типов наночастиц при одинаковой их концентрации (20%) диэлектрическая проницаемость материала в присутствии наночастиц Ag является наибольшей, а для материала с наночасти цами Fe – наименьшей. Причем величина относительного изменения диэлектриче ской проницаемости максимальна в присутствии наночастиц NiO и минимальна при наночастицах Fe. С увеличением концентрации наночастиц диэлектрическая проницаемость исследуемых материалов уменьшается. Эксперименты по исследо ванию температурных зависимостей диэлектрической проницаемости показали, что ростом температуры диэлектрическая проницаемость нанокомпозитных поли мерных материалов с наночастицами Fe – уменьшается (рис.2). Образцы с ровной поверхностью характеризуются отсутствием температурного гистерезиса диэлек трической проницаемости. Для образцов с поверхностью, имеющей небольшие ка верны и неровности, отмечается присутствие существенного температурного гис терезиса диэлектрической проницаемости. Полученные зависимости (T) могут быть полезны при анализе акустических волн в структурах, содержащих исследуе мые материалы.

2. 2.6 / 2. 2. 2. 0 10 20 30 T,0C Рис.2. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры для нанокомпозитного полимерного материала с 5% (1) и 20% (2) содержанием наночастиц железа Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию влияния различных газов и летучих жидкостей на механические свойства пленок экстракта грибного мицелия. Были разработаны алгоритм проведения исследова ний, технология получения пленок экстрактов мицелия на резонаторе на ОАВ, а также методика создания газовой среды. В результате проведенных исследований была изучена сорбционная чувствительность экстрактов мицелия высшего гриба шиитаке к парам различных летучих жидкостей и газов (ацетон, этилацетат, фор малин, хлороформ, уксусная и соляная кислоты, гексан, 10% водный раствор ам миака).

Результаты проведенного эксперимента показали, что существуют такие об разцы пленок, параметры которых (плотность, модуль упругости, вязкость) меня ются в присутствие конкретного газа или паров летучей жидкости, а после прекра щения воздействия эти параметры возвращаются к своим исходным значениям. На основании полученных результатов было рекомендовано для определения присут ствия паров аммиака использовать пленку экстракта мицелия Lentinus edodes F 249 в возрасте 14 суток, выращенного в синтетической среде культивирования с добавкой индолил-3-уксусной кислоты (0.2 мг/л) и экстрагированного этанолом.

Для определения паров формальдегида можно использовать экстракт того же ми целия, но уже с добавкой триптамина (101 г/л) и экстрагированного водно этанольной смесью (1:1). Для определения паров этилацетат должен использовать ся все тот же мицелий, но уже с добавкой индолил-3-ацетамида (101 г/л) и экстра гированный водно-этанольной смесью (1:1). Таким образом, можно сделать вывод, что мицелиальные пленки являются весьма перспективным восстанавливающимся после воздействия новым материалом для селективных покрытий газовых электро акустических датчиков.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию возможности приме нения резонаторов с поперечным электрическим полем (ПЭП) (рис.3) для измере ния механических свойств жидкостей и био логических объектов. Здесь предложен но ~ X вый способ подавления паразитных коле баний, который заключается в демпфиро- 2 вании определенного участка электродов и области вокруг электродов путем нанесе X2, ния тонкого слоя специального быстро- сохнущего лака. Эксперименты показали, что при демпфировании определенной части электродов наблюдается выделение резонанса и можно получить максималь ное значение добротности. Анализ показал Рис. 3. Схема резонатора с ПЭП: 1 – что, любой геометрии и размерам электро- пьезопластина, 2 – электроды дов при демпфировании определенной части их поверхности соответствует свой оптимум. На примере пластины LiNbO3 X среза было установлено, при какой ори ентации электрического поля относительно кристаллографических осей пластины наблюдается максимальное значение действительной части электрического импе данса, а, следовательно, и добротности резонатора с ПЭП при одинаковой геомет рии и размерах электродов. Было установлено также, что резонансная частота со ответствует продольной волне, распространяющейся вдоль оси X1, при этом при прочих равных условиях резонансная частота для ориентации поля E||X3 (а значит и скорость волны) всегда меньше, чем для ориентации E||X2. Кроме того, максималь ное значение действительной части электрического импеданса (которое определяет добротность резонатора) при прочих равных условиях оказывается существенно больше для поля E||X2 по сравнению с ориентацией E||X3. Было показано, что доб ротность резонатора для поля E||X2 может меняться в широких пределах от ~500 до ~ 8000. Было также впервые экспериментально подтверждено, что акустическая волна с поперечной электрической поляризацией ужестчается, причем степень ужестчения зависит не только от коэффициента электромеханической связи, но и от апертуры волны.

Результаты этой работы позволили создать датчик для исследования биоло гических реакций. Возможности этого датчика продемонстрированы на примере конкретной биологической реакции бактериальных клеток E. coli штамма XL-1 к бактериофагу М13К07. Было показано, что датчик позволяет различать две ситуа ции: когда происходит биоспецифическое взаимодействие и когда оно не происхо дит. Показано также, что датчик позволяет обнаруживать биоспецифическое взаи модействие в присутствии посторонней микрофлоры, что является одним из важ ных моментов в разработке нового метода детекции бактерий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате проведенных работ были получены следующие результаты:

1. Разработана методика, позволяющая определять плотность, модули упругости и коэффициенты вязкости слоев из различных материалов с толщиной до 60 мкм и с ее помощью впервые определены вышеуказанные материальные постоянные нано композитных пленок на основе ПЭВД с различным процентным содержанием на ночастиц Fe, CdS, Fe2O3, Ag, NiO. Обнаружено, что путем изменения материала на ночастиц и их объемной концентрации в пределах от 2% до 30% импеданс можно менять для продольных и поперечных волн в пределах 78104216104кг/м2с и 2410460104кг/м2с, соответственно.

2. Экспериментально показано, что для получения нанокомпозитных пленок на ос нове полиэтилена высокого давления с минимальной пористостью или максималь ной плотностью необходимо использовать температуру формования порядка 1100С.

3. Экспериментально показано, что изменение концентрации наночастиц в поли мерной матрице стабилизатора влияет на акустические свойства нанокомпозитного материала – плотность, модули упругости и коэффициенты вязкости. Следователь но, варьируя состав получаемого нанокомпозита путем изменения состава и кон центрации наночастиц в нем, можно целенаправленно управлять его акустически ми свойствами в определенных пределах.

4. Экспериментально показано, что для всех исследованных материалов акустиче ский импеданс вне зависимости от процентного содержания наночастиц на 2-2. порядка меньше, чем соответствующий импеданс для известных пьезоэлектриче ских кристаллов.

5. С ростом частоты диэлектрическая проницаемость нанокомпозитных материа лов, основанных на полиэтилене высокого давления, уменьшается.

6. Для различных типов наночастиц при одинаковой их концентрации (20%) ди электрическая проницаемость материала в присутствии наночастиц Ag является наибольшей, а для материала с наночастицами Fe – наименьшей. Причем величина относительного изменения диэлектрической проницаемости максимальна в при сутствии наночастиц NiO и минимальна при наночастицах Fe.

7. С увеличением концентрации наночастиц диэлектрическая проницаемость ис следуемых материалов уменьшается.

8. С ростом температуры диэлектрическая проницаемость нанокомпозитных мате риалов, основанных на ПЭВД, с наночастицами Fe - уменьшается.

9. Экспериментально показано, что существуют такие образцы пленок мицелия, чьи параметры (плотность, модуль упругости, вязкость) меняются в присутствие конкретного газа или паров летучей жидкости, а после прекращения воздействия эти параметры возвращаются к своим исходным значениям.

10. Путем демпфирования определенной части электродов резонатора можно су щественно уменьшить интенсивность паразитных колебаний и добиться четко вы раженной резонансной зависимости, а также увеличения добротности основного резонанса с 500 до 8000.

11. Максимальное значение действительной части электрического импеданса, а, следовательно, и добротность резонатора с ПЭП при одинаковой геометрии и раз мерах электродов существенно больше при параллельности электрического поля оси X2, чем при ориентации электрического поля параллельной оси X3.

12. Впервые экспериментально подтверждено, что акустическая волна с попереч ной электрической поляризацией «ужестчается», причем степень «ужестчения» за висит не только от коэффициента электромеханической связи, но и от апертуры волны.

13. На основе резонатора с поперечным электрическим полем разработан биологи ческий датчик. Показано, что с его помощью можно определять наличие биоспе цифического взаимодействия и проводить количественный анализ бактериальных клеток непосредственно в жидкой фазе. Датчик также позволяет регистрировать указанное выше специфическое взаимодействие даже в присутствие посторонней микрофлоры.

ЛИТЕРАТУРА 1. Ballantine D.S., White R.M., Martin S.J., Ricco A.J., Frye G.C., Zellers E.T., Wohltjen H.

Acoustic Wave Sensors: Theory, Design, and Physico-Chemical Applications. San Diego:

Academic Press. 1997.

2. McCann D. F., McCann J.M., Parks J.M., Frankel D.J., Rereira da Cunh a M., and Vetelino J.F.// IEEE Trans. on Ultrason., Ferroelectrics, and Freq. Contr. 2009. V56. N4. P.779-787.

3. Силина Ю.Е., Кучменко Т.А., Коренман Я.И., Цивилева О.М., Никитина В.Е. // Журнал аналитической химии. 2005. Т.60. №7. С.759-764.

4. Ушаков Н.М., Запсис К.В., Кособудский И.Д. // Письма в ЖТФ. 2003. Т.29. №22. C. 29 5. Кособудский И.Д., Юрков Г.Ю.// Изв.ВУЗов. Химия и хим. техн. 2000. Т.43. №4. С.3 18.

Список опубликованных работ по теме диссертации 1. Kuznetsova I.E. Zaitsev B.D. Shikhabudinov A.M. Elastic and viscosity properties of Nanocomposite Films Based on Low-Density Polyethylene // Trans. On Ultrason., Ferroel. And Freq. Control. 2010. V.57. №9. P.2099-2102.

2. Кузнецова А. С., Шихабудинов А. М. Влияние температуры на характеристики акусти ческих волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитная полимерная пленка» // Нелинейный мир. 2009. T.7. №6. C.483-484.

3. Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Кузнецова И.Е. Экспериментальное исследование влияния температуры на диэлектрическую проницаемость нанокомпозитных материалов с наночастицами железа в матрице полиэтилена высокого давления // Письма в ЖТФ. 2009.

Т.35. вып.13. С.58-65.

4. Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Кузнецова И.Е. Акустические характеристики поли мерных нанокомпозитных пленок. // Нелинейный мир. 2010. Т.8. №2. С.132-133.

5. Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Шихабудинов А.М., Разумов К. А. Влияние температуры формования на свойства нанокомпозитных пленок на основе полиэтилена высокого дав ления. // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34. вып.12. С.67- 6. Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Кузнецова И.Е. Влияние плотности материала на ночастиц на акустические параметры нанокомпозитных полимерных материалов. // Письма в ЖТФ. 2010. Т.36. вып.16. С.48-54.

7.Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Шихабудинов А.М., Васильев А.А. Новый способ подавле ния паразитных мод в пьезоэлектрическом резонаторе с поперечным электрическим по лем // Письма в ЖТФ. 2011. Т.37. вып.11. С.27-34.

8. Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Теплых А.А., Кузнецова И.Е. Способ бесконтактного измерения диэлектрической проницаемости// Заявка о выдаче патента РФ на изобретение №2009115261/28. Приор. 21.04. 9.Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Шихабудинов А.М. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь // Патент на изобретение №2422816 от 27.06.11. Заявка о выдаче патента РФ на изобретение №2009126656/20. Приор. 14.07. 10. Кузнецова И.Е. Зайцев Б.Д. Шихабудинов А.М. Колесов В. В. Характеристики по лимерных нанокомпозитных пленок. // Труды XX сессии РАО. 27-31 октября. Москва. М.:

«ГЕОС». 2008. Т.2. С.53-57.

11. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S., Shikhabudinov A.M., Kolesov V. V.

Development of temperature stable acoustic line based on piezoelectric plate and nanocomposite polymeric film. / Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp. Nov. 2-5. Beiging, China. 2008.

P.920- 12. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Shikhabudinov A.M., Vasiliev A.A. The research of the piezoelectric crystal resonators with the lateral field excitation // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp. Oct. 11-13. San-Diego. USA. 2010. P.946-949.

13. Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Шихабудинов А.М., Игнатов О.В., Гулий О.И., Биоло гический датчик на основе пьезоэлектрического резонатора с поперечным электрическим полем. // Труды XXIV сессии РАО. 12-15 сентября. Саратов. М.: «ГЕОС». 2011. Т.1. С.77 81.

14. Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Шихабудинов А.М., Васильев А.А. Исследование пье зоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем. // Труды XXII сессии РАО. 15-17 июня. Москва. М.: «ГЕОС». 2010г. Т.2. С.91-94.

15. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Shikhabudinov A.M., Kolesov V. V., Fionov A. S., Petrova N. G. Temperature Dependencies of Dielectric Permittivity of Polymeric Nanocomposite Materials. // Book of Abstracts Int. Conf. AMAAV’09. Jan. 4-6. Cairo. Egypt.

2009. P. 16. Шихабудинов А.М. Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Экспериментальное исследование влияния температуры на диэлектрическую проницаемость нанокомпозитных материалов с наночастицами железа в матрице полиэтилена высокого давления. // Материалы III кон ференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика». 25 27 июня. Саратов. Изд-во СГУ. 2008. С.184.

17. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Ushakov N.M., Kosobudskii I.D.,, Shikhabudinov A.M.

Acoustical characteristics of polymeric nanocomposite films. // Program and Abstracts ICU’2007. April 9-12. Vienna. Austria. 2007. P.166.

18. Шихабудинов А.М. Упругие свойства нанокомпозитов на основе полиэтилена вы сокого давления. //Материалы I конф. молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика». 28-30 сент. 2006. Саратов. Изд-во СГУ. C.20-21.

19. Шихабудинов А.М. Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Экспериментальное исследование упругих свойств нанокомпозитов на основе полиэтилена высокого давления. //Материалы II конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика».

14-17 мая. 2007. Саратов. Изд-во СГУ. C.37.

20. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Shikhabudinov A.M., Kolesov V. V. Fionov A. S.

Kosobudskii I.D. Modulus of elasticity and viscosity coefficients of polymeric nanocomposite films with Fe and CdS nanoparticles. // Proceed. of 16th Int. Symp. “Nanostructures: physics and technology”. July 14-18. Владивосток. 2008. P.68- 21. Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Теплых А.А., Кузнецова И.Е. Способ бесконтакт ного измерения диэлектрической проницаемости. // Материалы IV конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика». 7-9 сент. Саратов. Изд во СГУ. 2009. С.155-157.

22. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Цивилева О.М., Панкратов А.Н.

Применение экстрактов мицелия гриба шиитаке в качестве сенсорного покрытия для аку стоэлектронных газовых датчиков. // Материалы V конференции молодых ученых «Нано электроника, нанофотоника и нелинейная физика». 6-8 сент. Саратов. Изд-во СГУ. 2010.

С.121-122.

23. Козлова А.В., Шихабудинов А.М., Зайцев Б.Д., Цивилева О.М., Панкратов А.Н., Кузнецова И.Е., Никитина В.Е. Изоляты высшего гриба Lentinus edodes как потенциаль ные биоэлементы резонатора на поперечных объемных волнах. // Стратегия взаимодейст вия микроорганизмов и растений с окружающей средой: Материалы IV Межрегион. кон фер. мол. ученых. 14-16 октября. Саратов. Саратов:Научная книга. 2008. С. 69.

24. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Shikhabudinov A.M., Tsivileva O.M., Pankratov A.N.

Application of the films of mycelium extracts as sensitive element for acoustoelectronic gas sensors // Book of Abstracts 4th Int. Conf. “Sensors Electronics and Microsystems technology”.

June 28-July 2. Odessa. Ukraine. 2010. P. 25. Kozlova A.V., Shikhabudinov A.M., Zaitsev B.D., Tsivileva O.M., Pankratov A.N., Kuznetsova I.E. Sorption Sensitivity of Fungal Mycelial Preparations to Ammonia Vapors by the Data of AcousticVaves Propagation Analysis Фундаментальные и прикладные исследования в биологии: Материалы I Международ. конфер. студентов, аспирантов и мол. ученых. 23 26 февраля. Донецк. Донецк:“Вебер”. 2009. Т. II. С.185-186.

26. Васильев А.А., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Шихабудинов А.М. Исследование пье зоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем. // Материалы V конфе ренции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», 6- сентября. Саратов. Изд-во СГУ. 2010. C.138-139.

Шихабудинов Александр Магомедович ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ПРИ ПОМОЩИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ Автореферат Подписано в печать 28.10.11. формат 6084 1/ Уч. -изд. л. 1,0 Тираж 100. заказ Типография Издательства Саратовского университета.

410012, Саратов, Астраханская,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.