Проекта РНП 2.1.1. № 4139
Отчет 87 с., 1 ч., 39 рис., 11 табл., 70 источников, 4 прил.
<КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА – САМООРГАНИЗАЦИЯ, СЛОЖНЫЕ МОЛЕКУЛЫ, НАНОСТРУКТУРЫ, ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ, КВАНТОВОХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ, ТЕТРАПИРРОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ, СТЕКИНГ-АГРЕГАТЫ >
Объект исследования– сложные молекулы, их агрегированные формы, кластеры и наноструктуры, находящиеся в гетерогенных условиях.
Цель работы - Исследование роли физико-химических факторов в процессах самоорганизации сложных органических молекул на границах раздела фаз.
Методы исследования – двойное лучепреломления, метод наклонного поляризованного луча, спектрофотометрические (в УФ, видимом и ИК диапазонах), масс-спектрометрические, люминесцентные, ядерный магнитный резонанс, квантово-химические расчеты.
Результаты работы:
Методом наклонного поляризованного луча исследовано двойное лучепреломление (ДЛП) в тонких слоях звездоподобного пентамерного полиорганоциклосилоксана (ППЦС). Приведены зависимости коэффициента ДЛП от температуры и толщины поверхностного слоя. Из полученных зависимостей определены температура плавления соединения, а также параметр ориентационного порядка = -0.27. Проведена теоретическая оценка анизотропии поляризуемостей молекул ППЦС. Предложена модель надмолекулярных структур с образованием доменов в виде стопок из молекул ППЦС.
Разработана модель примесного молекулярного кристалла бензойная кислота – дифенил. Исследовано взаимодействие нескольких молекул в случае чистого и примесного молекулярного кристалла. Рассчитаны спектрально-люминесцентные свойства и константы скоростей различных фотопроцессов в молекулах полуэмпирическим квантово–химическим методом ЧПДП/С (метод Частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием со спектроскопической параметризацией). На основании данных расчета рассмотрены возможные механизмы синглетного или триплетного переноса энергии.
Исследовано влияние внешнего электростатического поля на геометрию комплексов с водородной связью при переходе от твердого тела к высокополярному апротонному растворителю. Геометрия комплексов оценивалась с использованием корреляционной зависимости между значениями изотропного химического сдвига 15N и расстоянием N…H.
Проведено квантовохимическое исследование энергий и интенсивностей электронных переходов ряда металлопорфиринов и металлофталоцианинов методом связанных кластеров. Впервые данным методом проведены систематические расчеты комплексов тетрапиррольных соединений с переходными металлами и некоторых их анионных форм. Показано, что даже с использованием сравнительно узкого базиса (6-31G), благодаря систематическому учету электронных корреляций, данный метод позволяет получить результаты, вполне согласующиеся как с проведенными ранее расчетами тех же объектов полуэмпирическим методом ZINDO/S-CI, так и с экспериментом.
Изучено влияние ионов европия на люминесценцию мономеров и стэкинг-агрегатов аденина в водном растворе и обнаружен рост агрегации при добавлении в раствор ионов европия. Квантово-химическим методом DFT показано, что ионы натрия стабилизируют стэкинг-димер аденина.
Исследовано образование агрегированных форм фталоцианина магния. Оптическими методами (спектрофотометрия, люминесценция) показано, что молекулы фталоцианинов, предварительно находившиеся в растворе (мономеры), способны к самосборке в агрегированные формы (димеры, мультимеры).
Проведено компьютерное моделирование процесса диффузии оксида азота (II) (NO) через модельную 2-х компонентную биомембрану. Показано, что по мере диффузии молекул NO в липидный бислой происходит их вращение. К окончанию процесса расчета (14390 пс) молекулы распределись в бислое на глубину до ѕ его толщины. Полученные уточненные значения коэффициентов диффузии свидетельствуют в пользу свободной диффузии через мембраны как возможного механизма проникновения молекул NO в клетку.
Построена 3-х компонентная бислойная модель мембраны из молекул фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина, фосфатидилсерина (ФТС) и воды. Расчеты выявили в ней область с высокой концентрацией ФТС. Показано, что тетрапептид кортаген, размещенный над мембраной, перемещается из области с высокой в область с низкой концентрацией ФТС. Эти перемещения через 2.2 нс затормаживаются образованием водородных связей с фосфолипидами. Взаимодействуя с 2-х компонентной мембраной кортаген образует “дугу”, гидрофобные концы которой обращены к мембране, а гидрофильная середина к воде.
проведены предварительные эксперименты по изучению взаимодействия комплексов фуллерена С60 с поливинилпирролидоном. Осуществлен синтез водорастворимых комплексов фуллерена С60 с матрицей полимерного носителя поливинилпирролидона. Проведено измерение общей активности мембранного фермента Na/K - АТФазы в эритроцитах и при действии аддукта фуллерена с поливинилпирролидоном. Показано, что механизмы действия компонентов комплекса ПВП/С60 могут различаться. ПВП взаимодействуя с Na/K – АТФазой с наружной стороны мембраны эритроцита приводит к увеличению АТФазной активности, в то время, как фуллерен С60 взаимодействует с внутримембранными доменами, снижая ее.
Рассмотрены некоторые качественные особенности управления процессами самоорганизации в живых системах. Проанализированы основные механизмы управления в пространственно-распределенных системах – управление через начальное распределение, параметрическое управление, граничное управление. Показано, что нанотехнологии стимулируют развитие новых, до сих пор не встречавшихся реализаций управления с помощью встраивания в клетки наночастиц различной химической природы. При этом клетка приобретает искусственные мишени, воспринимающие воздействия внешних физических полей и способны пространственно векторизовать процессы самоорганизации. Показаны предварительные результаты по внедрению в клетки микромицетов водорастворимых производных квантовых точек типа ядро/оболочка CdSe/ZnS
Степень внедрения – проводится подготовка специалистов на физическом и биолого-почвенном факультетах СПбГУ.По некоторым результатам поданы заявки на патенты РФ.
Рекомендации к внедрению – использование учебно-методических и разработок для подготовки высококвалифицированных специалистов. Полученные результаты могут являться основой для разработки высоких технологий:
Область применения – вузы РФ, научно-исследовательские организации и предприятия, создающие оборудование для следующих технологий: очистка окружающей среды от стойких органических загрязнений с использованием энергии солнечного излучения; водоочистка – есть патент; создание физических основ для разработки оптоэлектронных устройств нового поколения; изготовление оптических материалов, содержащих полупроводниковые квантово-размерные структуры; получение водородного топлива путем фотокаталитического разложения воды под действием солнечного излучения; создание защитных покрытий с антимикробными свойствами.
Экономическая эффективность методаили значимость – использование высококвалифицированного персонала и дорогостоящего оборудования для решения двух государственных задач: развития образования и науки.
Прогнозные предложения о развитии объекта исследования. Разрабатываемые образовательные предметы и темы фундаментальных исследований следует развивать и вводить в практику.