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 18-72-00053
НазваниеСоздание и характеризация самоорганизующихся пьезо- и сегнетоэлектрических микро- и наноструктур на основе пептидов и аминокислот
РуководительВасильев Семен Григорьевич, 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 словаДифенилаланин, глицин, тонкие пленки, центрифугирование, самоорганизация, самосборка, атомно-силовая микроскопия, силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика, конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния, 3Д-принтер, аддитивные технологии
Код ГРНТИ29.19.00
СтатусЗакрыт досрочно
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В данной работе предлагается качественно новый подход к принципам создания самоорганизованных ансамблей сегнето- и пьезоэлектрических микро- и наноструктур на основе аминокислот и пептидов. Подход заключается в комбинации методов центрифугирования и струйной трехмерной печати. Ранее уже была показана возможность создания подобных структур, но комплексное исследование факторов, влияющих на морфологию, не проводился. Кроме того, будет проведено подробное исследование физических свойств объектов и усыновлена связь между параметрами их изготовления, их морфологией и свойствами.
Целью данной работы является создание и исследование самоорганизованных ансамблей сегнето- и пьезоэлектрических микро- и наноструктур на основе аминокислот и пептидов. Ансамбли структур будут созданы с помощью комбинации методов центрифугирования и трехмерной струйной печати (аддитивные технологии).
Для достижения цели будут решены следующие задачи
1) Разработка методики создания самоорганизованных ансамблей сегнето- и пьезоэлектрических микро- и наноструктур на основе аминокислот и пептидов.
2) Исследование морфологии полученных структур глицина и ДФА методами оптической, сканирующей атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии.
3) Определение полиморфных фаз кристаллов глицина и направления кристаллических осей полученных структур глицина и ДФА с помощью конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния.
4) Исследование стабильности полученных структур под действием влажности и температуры.
5) Исследование сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических, пироэлектрических и диэлектрических свойств полученных структур глицина и ДФА.
6) Исследование связи параметров изготовления, морфологии и свойств самоорганизованных ансамблей глицина и ДФА.
7) Исследование оптических свойств самоорагнизованых структур.
8) Выявление связи между параметрами изготовления, морфологией и свойствами самоорганизованных ансамблей.
План на первый год проекта
1) Разработка комбинированной методики создания самоорганизованных ансамблей сегнето- и пьезоэлектрических микро- и наноструктур на основе аминокислот и пептидов.
2) Исследование влияния параметров центрифугирования (скорость, ускорение вращения; температура и влажность воздуха) и трехмерной струйной печати (тип растворителя и его вязкость, скорость печати и объем капли), подложки (материал, температура, гидрофобность\гидрофильность) на морфологию самоорганизованных ансамблей.
3) Исследование морфологии полученных структур методами оптической, сканирующей атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии.
4) Определение полиморфных фаз кристаллов глицина и направления кристаллических осей полученных структур глицина и FF с помощью конфокальной микроскопии комбинационного рассеяния.
5) Выявление зависимости морфологии создаваемых структур от параметров их изготовления.
6) Представление результатов проекта на международном семинаре International Workshop “Modern Nanotechnologies” (Екатеринбург, август 2018 г.)
7) Командировка для представления результатов проекта на международный конгресс The 8th Annual World Congress of Nano Science &Technology (Потсдам, Германия, октябрь 2018).
План на второй год проекта
1) Исследование стабильности полученных структур под действием влажности и температуры.
2) Исследование сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических, пироэлектрических и диэлектрических свойств полученных структур глицина и FF.
3) Исследование оптических свойств ансамблей.
4) Исследование связи между параметрами изготовления, морфологией и свойствами самоорганизованных ансамблей.
5) Командировка для представления результатов проекта на международную конференцию.
В ходе выполнения работы будут получены следующие основные результаты:
1) Комбинированная методика создания самоорганизованных ансамблей сегнето- и пьезоэлектрических микро- и наноструктур на основе аминокислоты глицин и дипептида дифенилаланин.
2) Зависимость стабильности ансамблей от влажности и температуры.
3) Зависимость морфологии, полиморфной фазы, направления и распределения кристаллических осей в кристаллических структурах и их пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических свойств от параметров центрифугирования и трехмерной струйной печати.
4) Закономерности кинетики и статики доменной структуры сегнетоэлектрических самоорганизованных ансамблей микро- и наноструктур.
5) Пьезоэлектрические и пироэлектрические коэффициенты полученных структур.
6) Связь между параметрами изготовления, морфологией и свойствами создаваемых структур.
Полученные результаты расширят современные представления о формировании самоорганизованных ансамблей микро- и наноструктур на основе биологических кристаллов, позволит усовершенствовать методы трехмерной струйной печати структур на основе пептидов и аминокислот, что приведет к развитию методов создания биосовместимых элементов электромеханических систем.
По результатам реализации проекта планируется опубликовать не менее 2 статей в международных рецензируемых журналах, индексируемых в базах Scopus и Web of Science.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения работы будут получены следующие основные результаты:
1) Комбинированная методика создания самоорганизованных ансамблей сегнето- и пьезоэлектрических микро- и наноструктур на основе аминокислоты глицин и дипептида дифенилаланин.
2) Зависимость стабильности ансамблей от влажности и температуры.
3) Зависимость морфологии, полиморфной фазы, направления и распределения кристаллических осей в кристаллических структурах и их пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических свойств от параметров центрифугирования и трехмерной струйной печати.
4) Закономерности кинетики и статики доменной структуры сегнетоэлектрических самоорганизованных ансамблей микро- и наноструктур.
5) Пьезоэлектрические и пироэлектрические коэффициенты полученных структур.
6) Связь между параметрами изготовления, морфологией и свойствами создаваемых структур.
Полученные результаты расширят современные представления о формировании самоорганизованных ансамблей микро- и наноструктур на основе биологических кристаллов, позволит усовершенствовать методы трехмерной струйной печати структур на основе пептидов и аминокислот, что приведет к развитию методов создания биосовместимых элементов электромеханических систем.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработана методика, позволяющая создавать организованные ансамбли микрокристаллов глицина. Используя разработанную методику, можно создавать ансамбли из отдельно лежащих кристаллов (упорядоченных в зерна и линии, а также равномерно распределённых по подложке с разной плотностью распределения), перье- и дендрито-образных кристаллов с изменяющимся направлением полярной оси.
Разработана методика создания пьезоэлектрических пленок на основе пептида FF. Обнаружено, что пленка состоит из зерен-перьев, которые имеют разное направление поляризации.
Разработана комбинированная методика, которая позволяет изучать разные стадии самоорганизации и самосборки кристаллов FF за счет разного доступа затравочной пленки к воде.
Показано, что затравочную пленку FF можно хранить только в сухом воздухе, иначе она начнет набирать влагу из атмосферы и начнется процесс самосборки кристаллов.
Перепады температуры от 15 до 50 °С не влияют на структуры и ансамбли глицина и FF. При температурах выше происходит их деградации и разрушение. Можно сказать, что микро и наноструктуры и ансамбли ведут себя схожим образом с макрокристаллами из этих материалов (глицин и дифенилаланин) при изменении температуры.
Установлено, что ансамбли из перьеобразных кристаллов глицина обладают доменной структурой, которую можно приключить с помощью приложения напряжения к зонду атомно-силового микроскопа. Микрокристаллы, полученные методом струйной печати, обладают исходной доменной структурой схожей с исходной доменной структурой макрокристаллов бета фазы глицина. Переключить их не удалось из-за технических трудностей. Микрокристаллы глицина, полученные методом центрифугирования с добавлением этанола, оказались поликристаллами, что можно предположить исходя из результатов изучения методом СМПО.
Новые результаты получены для пленок FF, созданных с помощью добавления воды на затравочную пленку, нанесенную на гидрофильную подложку. Для этих структур установлены пьезоэлектрические коэффициенты deff_laterel≈10 pm/V, deff_vertical≈1-3 pm/V.
Удалось установить основные закономерности и факторы, влияющие на морфологию и структуру ансамблей микрокристаллов и наноструктур.
Получены образцы структур FF, которые позволяют проследить стадии превращения затравочной пленки в микротрубки (затравочная пленка, глобулярные структуры из пленки, зародыши трубок, трубки).
Публикации