КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-72-00052
НазваниеРазработка методов управления транспортом органических и неорганических молекул по супрамолекулярным наноканалам на основе ароматических дипептидов для устройств микро- и нанофлюидики
РуководительЗеленовский Павел Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словаМикрофлюидика, нанофлюидика, транспорт молекул, супрамолекулярные структуры, самосборка, пептидные нанотрубки, рамановская спектроскопия, сканирующая зондовая микроскопия
Код ГРНТИ29.19.22
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время назрела необходимость пересмотра принципов конструирования и функционирования устройств микро- и нанофлюидики. В данной работе предлагается качественно новый подход к этим принципам, который заключается в использовании самособирающихся пептидных нанотрубок. Однако для практического использования таких супрамолекулярных наноканалов необходимо глубокое понимание процессов переноса атомов и молекул по ним. В связи с этим, цель работы заключается в изучении особенностей транспорта органических и неорганических молекул по супрамолекулярным наноканалам, образовавшимся в результате самосборки ароматических дипептидов, и способов управления им. В качестве модельного материала в работе будут использованы обыкновенная и циклизованная формы дифенилаланина. Впервые будет проведено комплексное экспериментальное исследование транспорта органических и неорганических молекул по наноканалам в самособирающихся пептидных нанотрубках и влияния степени заполнения нанотрубок на их электромеханические, упругие и оптические свойства. Влияние заполнения наноканалов на свойства нанотрубок, особенности перемещения молекул по ним, а также возможности применения пептидных нанотрубок в устройствах нанофлюидики ранее не изучались, что обусловливает новизну данного проекта. В работе впервые будут разработаны методики управления степенью заполнения нанотрубок, что позволит выявить основные закономерности изменений физических свойств нанотрубок при варьировании степени заполнения наноканалов. Будут разработаны оригинальные методики управления потоками молекул в наноканалах при помощи электрических полей и градиентов температур. Будут изучены различные режимы транспорта молекул по нанотрубкам, и определены основные кинетические характеристики и пороговые значения внешних факторов, индуцирующих перенос вещества. Будет разработан физический механизм транспорта молекул в пептидных нанотрубках под действием электрических полей и градиента температуры. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, расширят современные представления о свойствах супрамолекулярных пептидных наноструктур, поведении атомов и молекул в наноканалах, а также позволят усовершенствовать методы конструирования и технологии производства устройств нанофлюидики.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты данного проекта представляют существенный научный и промышленный интерес. Они расширят современные представления о свойствах супрамолекулярных пептидных наноструктур, поведении атомов и молекул в наноканалах, а также позволят усовершенствовать методы конструирования и технологии производства устройств нанофлюидики. Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню исследований. Они будут представлены на национальных и международных научных конференциях и опубликованы в трех (3) статьях в высокорейтинговых научных журналах первого квартиля с импакт-фактором не менее 2, индексируемых в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В рамках данного проекта ожидаются следующие основные результаты:
2018/2019 год
1. Методика определения степени заполнения нанотрубок дифенилаланина.
2. Методика заполнения нанотрубок дифенилаланина органическими и неорганическими молекулами в различной степени.
3. Закономерности изменения основных электромеханических свойств (пьезоэлектрический коэффициент, спектры пьезоэлектрических колебаний) микро- и нанотрубок дифенилаланина при варьировании степени заполнения наноканалов.
4. Закономерности изменения основных упругих свойств (модуль Юнга, микротвердость) микро- и нанотрубок дифенилаланина при варьировании степени заполнения наноканалов.
5. Закономерности изменения основных оптических свойств (край оптического поглощения, фотолюминесценция, инфракрасное поглощение) микро- и нанотрубок дифенилаланина при варьировании степени заполнения наноканалов.
6. Опубликование одной статьи по результатам исследований.
2019/2020 год
1. Методика перемещения органических и неорганических молекул в нанотрубках дифенилаланина при помощи внешних электрических полей.
2. Методика перемещения органических и неорганических молекул в нанотрубках дифенилаланина под действием градиента температуры.
3. Основные кинетические характеристики транспорта органических и неорганических молекул в нанотрубках дифенилаланина под действием внешних электрических полей.
4. Основные кинетические характеристики транспорта органических и неорганических молекул в нанотрубках дифенилаланина под действием градиента температуры.
5. Физический механизм перемещения молекул в нанотрубках дифенилаланина под действием внешнего электрического поля.
6. Физический механизм перемещения молекул в нанотрубках дифенилаланина под действием градиента температуры.
7. Опубликование двух статей по результатам исследований.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На первом этапе проекта проведены работы по разработке методик дегидратации нанотрубок дифенилаланина и их последующему заполнению органическими и неорганическими молекулами. Для оценки степени заполнения наноканалов предложена методика на основе конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния света и определены пределы её применимости. Изучено влияние степени заполнения наноканалов на основные упругие, электромеханические и оптические свойства микро- и нанотрубок. Получены закономерности изменения распределений модуля Юнга и микротвердости при варьировании степени заполнения нанотрубок. Показано, что удаление молекул воды из наноканалов приводит к обратимому уменьшению характерных значений модуля Юнга и микротвердости, а заполнение наноканалов другими молекулами изменяет эти значения в большую сторону. Показано, что при уменьшении концентрации молекул воды в наноканалах величина эффективного пьезокоэффициента d15 экспоненциально уменьшается, причем повторное заполнение наноканалов молекулами воды не приводит к заметному восстановлению пьезоэлектрических свойств, поскольку величина пьезокоэффициента d15 в большей степени определяется структурной водой. Обнаружено, что изменение состояния водной подсистемы в наноканалах оказывает влияние и на спектры пьезоэлектрических колебаний нанотрубок. Обнаружено, что амплитуда вертикальных и латеральных колебаний и добротность простейшего пьезоэлектрического резонатора на основе микротрубки дифенилаланина линейно зависят от степени заполнения наноканалов. Максимальное полученное значение добротности составляет 228. Анализ оптических свойств нанотрубок дифенилаланина показал, что ширина запрещенной зоны нанотрубок дифенилаланина не зависит от содержания в наноканалах молекул свободной воды, а определяется преимущественно структурной водой, связанной с молекулами дипептида. Кроме того, в работе также продемонстрировано влияние хиральности на кинетику роста микротрубок дифенилаланина, связанное с различием в энергии взаимодействия между структурными единицами.
Публикации
1. Зеленовский П.С., Нураева А.С., Копыл С., Архипов С.Г., Васильев С.Г., Быстров В.С., Груздев Д.А., Валичек М., Свитлык В., Шур В.Я., Мафра Л., Холкин А.Л. Chirality-dependent growth of self-assembled diphenylalanine microtubes Physical Chemistry Chemical Physics, - (год публикации - 2019)
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На втором этапе проекта проведены работы по разработке методик перемещения молекул в нанотрубках дифенилаланина при помощи внешних давления, градиента температур и электрических полей. Апробация методик проведена с использованием молекул воды и аммиака. Разработана методика анализа результатов измерения сорбции газов, позволяющая определять коэффициенты диффузии молекул в наноканалах при различных давлениях. Изучены особенности транспорта молекул воды, N2 и CO2 в наноканалах под действием внешнего давления. Определена величина потенциального барьера, препятствующего проникновению молекул воды внутрь наноканала и наружу, измерена удельная площадь поверхности нанотрубок дифенилаланина. Определены эффективные энергии адгезии молекул воды, CO2 и N2 к нанотрубкам при различных температурах, и предложена модификация методики дегидратации нанотрубок термическим способом.
Впервые изучена самодиффузия молекул воды в наноканалах дифенилаланина при различных давлениях. Обнаружено существенное (на 2-3 порядка) увеличение коэффициента диффузии при высоких парциальных давлениях. Предложен механизм диффузии, заключающийся в образовании кластеров воды и их перемещении, а усиление диффузии связано с переходом от планарных кластеров малых размеров (менее 5 молекул) к более крупным пространственным структурам, но слабее взаимодействующих со стенками наноканала. Максимальное полученное значение коэффициента диффузии воды в нанотрубках дифенилаланина, 3 × 10-10 м2 с-1, сравнимо с коэффициентами, наблюдаемыми в некоторых цеолитах, биологических каналах и гидроксиаппатите. Показано, что коэффициент диффузии линейно увеличивается с ростом температуры, что характерно для термически активированных процессов, и определены значения энергии активации. Проведены оценки коэффициентов диффузии молекул CO2 и N2, которые составили около 2×10-13 м2 с-1 и 5×10-15 м2 с-1, соответственно. Меньшие значения, отнесены за счет большего размера молекул CO2 и N2.
Определены коэффициенты термодиффузии молекул аммиака в наноканалах дифенилаланина под действием градиента температуры. При градиенте 0.1 °C/мкм коэффициент диффузии составил 5.9 × 10-12 м2 с-1. Предложен механизм возникновения термодиффузии, основанный на особенностях взаимодействия молекул со стенками нанотрубки. В случае молекул воды и аммиака с сильной адгезией к стенкам наноканала градиент температуры приводит к неоднородному распределению плотности молекул, что, в свою очередь, приводит к возникновению разности давлений и перемещению молекул из более плотной (холодной) области в менее плотную (горячую). Впервые проведена оценка коэффициента теплопроводности нанотрубок дифенилаланина, которая оказалась сопоставима с теплопроводностью кератиновых нановолокон.
Показано, что приложение продольного электрического поля к нанотрубкам дифенилаланина приводит к компенсации термодиффузии, вызванной неоднородным нагревом. Для максимальной использованной в работе напряженности электрического поля коэффициент электродиффузии воды составил около 3.4×10-11 м2 с-1. Предложен механизм перемещения молекул по наноканалам дифенилаланина под действием электрического поля за счет индуцированной полем асимметрии теплового движения молекул. Степень асимметрии определяется величиной приложенного поля. Получено выражение, для полевой зависимости коэффициента электродиффузии.
Публикации
1. Зеленовский П.С., Домингес Э.М., Слабов В., Копыл С., Уголков В.Л., Фигуэйредо Ф.М.Л., Холкин А.Л. Efficient water self-diffusion in diphenylalanine peptide nanotubes ACS Applied Materials & Interfaces, - (год публикации - 2020)
2. Зеленовский П.С., Нураева А.С., Копыл С., Архипов С.Г., Васильев С.Г., Быстров В.С., Груздев Д.А., Валичек М., Свитлык В., Шур В.Я., Мафра Л., Холкин А.Л. Chirality-Dependent Growth of Self-Assembled Diphenylalanine Microtubes Crystal Growth & Design, 19 (11), 6414-6421 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b00884
3. Зеленовский П.С., Южаков В.В., Нураева А.С., Корнев М.С., Шур В.Я., Копыл С., Холкин А.Л., Васильев С.Г, Тофаил С.А.М. The Effect of Water Molecules on Elastic and Piezoelectric Properties of Diphenylalanine Microtubes IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, - (год публикации - 2020)
Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта были получены фундаментальные результаты, служащие необходимым заделом к формированию новых принципов конструирования и функционирования устройств микро- и нанофлюидики на основе самособирающихся пептидных нанотрубок. В работе впервые разработаны методики управления степенью заполнения нанотрубок, управления потоками молекул в наноканалах при помощи электрических полей и градиентов температур. Изучены различные режимы транспорта молекул по нанотрубкам, и определены основные кинетические характеристики и пороговые значения внешних факторов, индуцирующих перенос вещества. Предложен физический механизм транспорта молекул в пептидных нанотрубках под действием электрических полей и градиента температуры. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, существенно расширяют современные представления о свойствах супрамолекулярных пептидных наноструктур, поведении атомов и молекул в наноканалах, а также позволяют усовершенствовать методы конструирования и технологии производства устройств нанофлюидики. Все это в полной мере соответствует направлению Н1 «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта» из Стратегии научно-технологического развития РФ.