ИСТИНА

Диссертационная работа А.Ю. Обыденова посвящена разработке новых методов создания и исследованию структуры и физико-химических свойств надмолекулярных систем и наноструктур, позволяющих моделировать и исследовать особенности различных процессов в биологических мембранных структурах, в частности, процессов электронного транспорта, структурообразования и самосборки, а также изучать физические механизмы регуляции этих процессов. Актуальность работы определяется важностью таких исследований для фундаментальной биофизики, поскольку физические механизмы транспорта электронов в биологических надмолекулярных системах (например, в мембранах митохондрий и тилакоидов) невозможно понять без исследования модельных систем с заданной структурой. Актуальность работы также обусловлена тенденциями развития современных высоких технологий (в частности, наноэлектроники и нанотехнологии), диктующими необходимость разработки подходов, позволяющих эффективно контролировать структуру и, соответственно, свойства функциональных материалов на наноуровне. Наиболее существенными новыми научными результатами работы являются следующие: 1. Разработан метод получения модельных упорядоченных молекулярных наноструктур с определенными системами туннельных переходов на основе многокомпонентных пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих различные химически синтезированные кластерные молекулы, в которых возможна реализация управляемых процессов одноэлектронного туннельного переноса при комнатных температурах. 2. Установлено, что использование асимметричных кластерных молекул с органической лигандной оболочкой, обладающих поверхностно-активными свойствами, наиболее эффективно для создания систем одноэлектронного туннельного переноса, моделирующих структуру “белок-переносчик цепи электронного транспорта в липидной мембране”. 3. Показано, что кластерные молекулы способны образовывать устойчивые гомогенные монослои и упорядоченные многослойные пленки Ленгмюра-Блоджетт, которые в рамках развиваемых в работе подходов соответствуют молекулярным одноэлектронным системам с максимальной пространственной плотностью упаковки функциональных элементов. 4. Предложен и разработан новый метод управляемого синтеза наночастиц (в том числе магнитных) в ленгмюровском монослое на границе раздела фаз газ/жидкость. 5. Установлена возможность эффективного управления морфологией наночастиц, в том числе размером, формой и ориентацией синтезируемых наночастиц с помощью целенаправленного изменения условий синтеза и, в частности, с помощью внешних полей. 6. Предложена теоретическая модель, описывающая процессы роста анизотропных наночастиц в двумерной системе под действием внешних полей. Достоверность и надежность научных результатов диссертации определяется согласием результатов, полученных различными независимыми экспериментальными методами, использованием самых современных и высокоэффективных экспериментальных методов, а также согласием полученных результатов с известными литературными данными. Основные результаты диссертации были представлены на 16 Всероссийских и международных конференциях, в том числе международных конференциях “Organized Molecular Films” (Asilomar, США, 1997; Потсдам, Германия, 2000), Европейской конференции “Thin organized films ECOF7 (Потсдам, Германия, 1998), международных конференциях “Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии” (Санкт-Петербург, 1998; 2001), Всероссийской научно-технической конференции “Микро- и наноэлектроника-98” (Звенигород, 1998), Международной конференции “Nanostructures: physics and technology” (Санкт-Петербург, 1998), международных конференциях “Materials Research Society Symposium” (Сан-Франциско, США, 1999; Бостон, США, 2000), XVI международном симпозиуме “Bioelectrochemistry and bioenergetics” (Братислава, Словакия, 2001). По материалам диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ. Представленные в диссертации данные могут иметь практическое значение для нанотехнологии, молекулярной электроники, для создания функциональных элементов перспективных электронных устройств с пространственным разрешением на молекулярном уровне, в частности, двумерных и трехмерных систем управляемого дискретного электронного переноса, для получения новых композитных и нанофазных материалов, а также ультратонких пленок с высокой анизотропией оптических, электрических, магнитных, механических свойств и разработки на их основе новых носителей информации, каталитических систем и функциональных материалов. Результаты диссертации могут быть рекомендованы для ознакомления и практического использования в организациях, занимающихся изучением процессов электронного транспорта в биологических, молекулярных и наноэлектронных системах, а также связанных с разработкой новых функциональных наноструктурированных материалов, таких как физический, химический и биологический факультеты МГУ, Институт химической физики РАН, Институт кристаллографии РАН, Институт радиотехники и электроники РАН, Институт общей и неорганической химии РАН. ВЫВОДЫ 1. Исследованы процессы формирования, структура и физико-химические свойства ленгмюровских монослоев, моно- и мультислойных ЛБ-пленок, содержащих различные кластерные молекулы. Установлено, что для создания воспроизводимых стабильных систем высокотемпературного управляемого одноэлектронного переноса, организованных по принципу “белок-переносчик электронов в липидной мембране”, эффективным является использование асимметричных кластерных молекул, имеющих органическую лигандную оболочку и обладающих поверхностно-активными свойствами. 2. Показано, что карбонилфосфиновые фенильные платиновые кластерные молекулы обладают поверхностно-активными свойствами и могут образовывать гомогенные монослои на поверхности водной фазы, которые остаются стабильными при поверхностных давлениях в монослое до 40 мН/м и эффективно переносятся на твердотельные подложки методом Ленгмюра-Блоджетт с образованием высокоорганизованных мультислойных надмолекулярных систем с параметрами структуры d1=7.37 Å и d2=4.21 Å. Построена модель упаковки кластерных молекул в гомогенной мультислойной пленке Ленгмюра-Блоджетт. 3. Установлено, что различные кластерные молекулы, в том числе молекулы карбонилфосфинового фенильного платинового кластера эффективно встраиваются в монослойную матрицу стеариновой кислоты с образованием стабильных упорядоченных надмолекулярных наноструктур (регулярных квазидвумерных массивов, квазилинейных цепочек). Обнаружено, что идеальное смешивание молекул кластера и стеариновой кислоты в монослое имеет место при молярных долях кластера в монослое менее 0,05. 4. В полученных монослойных ЛБ-пленках, содержащих молекулы карбонилфосфинового платинового кластера, реализованы процессы одноэлектронного туннелирования через одиночные кластерные молекулы и реализован одноэлектронный туннельный транзистор, функционирующий при температуре T=300 K. Величина кулоновской блокады на вольт амперных характеристиках двухпереходной туннельной системы “игла СТМ—молекула платинового кластера в ленгмюровском монослое—графитовая подложка” составляет Uc~0,5 В, период колебаний туннельного тока на сигнальных характеристиках этой системы равен 2,00,1 В. 5. Предложен и разработан новый оригинальный метод управляемого двумерного синтеза металлосодержащих наночастиц в смешанном ленгмюровском монослое на границе раздела фаз вода/воздух. Показано, что в такой системе возможно получение ориентированных в заданном направлении квазилинейных цепочек из магнитных наночастиц, аналогичных цепочкам наноразмерных железосодержащих магнитных частиц, присутствующих в клетках ряда магнито чувствительных бактерий. Исследован процесс электронного туннелирования через одиночные частицы при комнатных температурах. 6. Проведены комплексные исследования структуры и физико-химических свойств наносистем, получаемых методом двумерного синтеза, и их зависимости от условий синтеза. Установлена возможность изменения размеров, формы и структуры синтезируемых магнитных наночастиц путем варьирования количества энергии ультрафиолетового излучения, сообщаемого монослою, состава монослоя, степени его поджатия в ходе процессов роста наночастиц. При различных условиях синтеза были получены изотропные в плоскости монослоя наночастицы с характерным диаметром от 5 до 200 нм и отношением диаметра к толщине, достигающим 200. 7. Обнаружен эффект влияния внешних полей на морфологию наночастиц, получаемых методом двумерного синтеза. Установлено, что форма синтезируемых наночастиц зависит от ориентации внешнего поля относительно плоскости монослоя. Продемонстрирована возможность получения во внешних магнитных и/или электрических полях анизотропных вытянутых металлсодержащих магнитных наночастиц с отношением продольного и поперечного размеров, достигающим 10, а также протяженных квазилинейных наноструктур, ориентированных в направлении силовых линий приложенного поля. 8. Разработана теоретическая модель, описывающая процессы роста анизотропных наночастиц в двумерной геометрии во внешних приложенных полях с учетом дальнодействующих диполь дипольных взаимодействий. Результаты теоретических расчетов качественно согласуются с полученными экспериментальными данными и указывают на то, что анизотропные диполь дипольные взаимодействия и кинетические факторы могут играть существенную роль в процессах роста дипольных коллоидных частиц во внешних полях.