1. Київський національний університет імені Тараса Шевченка
НТСА ФІЗИЧНОГО ФАКУЛЬТЕТУ
ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
ТЕЗИ ДОПОВІДЕЙ
наукової конференції молодих вчених
«Наука XXI сторіччя:
сучасні проблеми фізики»
(12-15 травня 2015 року)
До 75-річчя
ФІЗИЧНОГО ФАКУЛЬТЕТУ
КИЇВ - 2015
2. Ухвалено вченою радою фізичного факультету
(протокол № 9 від 20.04. 2015 р.)
ПРИСВЯЧУЄТЬСЯ
75-річчю
фізичного факультету
Наукова конференція молодих вчених «Наука XXI сторіччя: сучасні проблеми фізики»
проводиться щороку на фізичному факультеті Київського національного університету імені
Тараса Шевченка в рамках відзначення днів науки в Україні.
ПЛАН
заходів по відзначенню днів науки в Україні на фізичному факультеті
12.05.15 (вівторок)
Урочисті наукові збори фізичного факультету
1. Вступне слово декана фізичного факультету Макарця М. В. (ауд. 200) 1415
2. Наукова доповідь член-кореспондента НАН України, професора Чурюмова К.І. на тему
«Космічна місія Розетта – експеримент тисячоліття» (ауд. 200) 1430
13.05.15 (середа)
1. Секційні засідання наукової конференції молодих вчених «Наука ХХІ сторіччя: сучасні про-
блеми фізики» 1415
Фізика ауд.100
Фізика конденсованого стану; фізика наносистем ауд.200
Лазерна та оптоелектроннна техніка ауд.209
Фізика ядра та фізика високих енергій ауд.103
14.05.15 (четвер)
1. Наукова доповідь випускника фізичного факультету Доценка І.В. (лабораторія Кастлера і
Бросселя в Парижі, група лауреата Нобелівської премії 2012 року з фізики професора С.
Ароша) на тему «Фотонна пастка для фундаментальних досліджень в експериментальній
квантовій оптиці» (ауд. 200). 1415
15.05.15 (п‘ятниця)
1. Стендові доповіді учасників наукової конференції молодих вчених «Наука ХХІ сторіччя:
сучасні проблеми фізики» (виставковий зал) 1415
ПРОГРАМНИЙ КОМІТЕТ
Голова програмного комітету: Макарець М.В.
Співголова програмного комітету: Зеленський С.Є.
Члени програмного комітету: Боровий М. О., Булавін Л. А., Вільчинський С. Й., Івченко В. М.,
Каденко І.М., Куліш М. П., Макара В. А., Поперенко Л. В., Ящук В. М., Прокопець В.М., Міщен-
ко М.В.,
Секретар програмного комітету: Курилюк В.В.
ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ КОМІТЕТ
Бабіч Д.П., Міщенко М. В., Семчук С.С., Клебанська С.П., Циганок Д. В.
3. Секції наукової конференції молодих вчених
«Наука XXI сторіччя: сучасні проблеми фізики»
ФІЗИКА
Голова: Дацюк В. В., доктор фізико-математичних наук, професор, професор кафедри
теоретичної фізики,
Співголова: Васильєв О. М., доктор фізико-математичних наук, професор, професор
кафедри теоретичної фізики,
Співголова: Горбар Е. В., доктор фізико-математичних наук, доцент, професор кафедри
квантової теорії поля,
Співголова: Григор’єв А.М., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафе-
дри молекулярної фізики.
Співголова: Мороз К. О., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри
молекулярної фізики,
Співголова: Якименко О. І., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафед-
ри квантової теорії поля.
ФІЗИКА КОНДЕНСОВАНОГО СТАНУ; ФІЗИКА НАНОСИСТЕМ
Голова: Репецький С. П., доктор фізико-математичних наук, професор, професор кафе-
дри фізики функціональних матеріалів,
Співголова: Коротченков О. О., доктор фізико-математичних наук, професор, професор
кафедри загальної фізики,
Співголова: Семенько М. П., доктор фізико-математичних наук, професор, професор
кафедри фізики металів,
Співголова: Оліх О. Я., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри за-
гальної фізики,
Співголова: Плющай І. В., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри
фізики металів,
Співголова: Момот А. І., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри
фізики функціональних матеріалів.
ЛАЗЕРНА ТА ОПТОЕЛЕКТРОННА ТЕХНІКА І ФОТОНІКА
Голова: Поперенко Л. В., доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафед-
ри оптики.
Співголова: Ящук В. М., доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафед-
ри експериментальної фізики.
Співголова: Єщенко О. А., доктор фізико-математичних наук, доцент, професор кафед-
ри експериментальної фізики.
Співголова: Якунов А. В., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри
оптики.
Співголова: Ящук В. П., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри
оптики.
Співголова: Кравченко В. М., кандидат фізико-математич–них наук, доцент, доцент ка-
федри експериментальної фізики.
ФІЗИКА ЯДРА ТА ФІЗИКА ВИСОКИХ ЕНЕРГІЙ
Голова: Вільчинський С. Й., доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач ка-
федри квантової теорії поля,
Співголова: Оніщук Ю. М.., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафед-
ри ядерної фізики,
Співголова: Безшийко О. А., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафе-
дри ядерної фізики,
Співголова: Барабаш О. В., кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафед-
ри квантової теорії поля.
4. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
4
СЕКЦІЯ: ФІЗИКА
Усні доповіді
ДИНАМІКА ЗАРЯДЖЕНИХ КВАЗІЧАСТИНОК ПРИ СКЛАДНОМУ ЗАКОНІ ДИСПЕРСІЇ
Супрун А. О.
1
, Кочелап В. О.
2
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, ruyk_rem@mail.ru
2
Інститут фізики напівпровідників ім.В.Є.Лашкарьова НАН України
Метою роботи є дослідження динаміки заряджених квазічас-
тинок при складному законі дисперсії. В роботі розглянуті частин-
ки, я мають лінійну залежність кінетичної енергії від імпульсу час-
тинки ( ) FE p V p
.
Побудовані траєкторії руху таких частинок в потенціальному
полі Кулона. Вигляд траєкторій руху квазічастинок у випадку при-
тягання показано на Рис.1.
Отримані результати:
1) в системі неможливі зв’язані стани;
2) кут розсіяння залежить від прицільного параметра та не
залежить від початкової енергії системи.
ДИНАМІКА ТА СТРУКТУРУВАННЯ ПРОТИІОНІВ НАВКОЛО ПОДВІЙНОЇ СПІРАЛІ ДНК
Любиш О. О.
1
, Алєксєєв О.М.
1
, Перепелиця С.М.
2
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, lubish.olya@gmail.com
2
IТФ імені М.М. Боголюбова НАН України
Метою роботи є дослідити структуру-
вання протиіонів навколо подвійної спіралі
ДНК за допомогою методу молекулярної
динаміки(МД). Моделювання проводилося
для додекамеру ДНК d(CGCGAATTGCGC) з
протиіонами лужних металів Na+, K+ та Cs+.
Розраховувалися змiни конформацiйних па-
раметрiв макромолекули ДНК. Результати
розрахункiв наведенi на Рис.1.
Комп’ютерні симуляції проводилися з
використанням програмного пакету NAMD та
силовим полем CHARMM27, розрахунки – за
допомогою програми Curves+. Вiдностно
кiлькостi доданої солi дослiджуванi системи
двох типiв: перший тип – кількість іонів мета-
лу дорівнювала кількості фосфатних груп
остова ДНК, а другий – додавалася сіль
(NaCl, KCl або CsCl) концентрацією 0,5 моль
до протиіонів, нейтралізуючих фосфатні гру-
пи подвійної. Олігомер поміщався в прямоку-
тну комірку (42Å*42Å*62Å). Використовувала-
ся модель води ТІР3Р. В усіх напрямках за-
давалися періодичні граничні умови. Крок
інтегрування – 2 фс. Всі довжини зв’язків
фіксувалися за допомогою алгоритму SHAKE.
[1] 1. O.O. Liybush, A.V. Vlasiuk, S.M.
Perepelytsya, Ukr. J. Phys., 60, №5, (2015)
НАДКРИТИЧНА НЕСТАБІЛЬНІСТЬ У ГРАФЕНІ, ІНДУКОВАНА ПОЛЕМ ЕЛЕКТРИЧНОГО ДИПОЛЯ
Соболь О.О.
1
, Горбар Е.В.
1,2
, Гусинін В.П.
2
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет,
sobololeks@gmail.com
2
Інститут теоретичної фізики імені М.М.Боголюбова НАН України
Ми досліджуємо надкритичну нестабільність у графені зі щілиною, на якому розміщені дві протилежно заря-
джені домішки (диполь). Графен описується в континуальному наближенні, його зонний спектр має щілину, яку на
експерименті можна створити низкою методів (наприклад, використанням специфічних підкладок (нітрид бору),
переходом до графенових нанострічок, гідрогенізацією поверхні і т.п. [1]). В такому наближенні електрони опису-
ються (2+1)-вимірним рівнянням Дірака [2]. Ґраткові ефекти враховуються шляхом регуляризації кулонівського
потенціалу домішок на масштабах періоду ґратки. Аналогічна задача розглядалася в роботі [3], там обчислено
спектр електрона в полі диполя на графені, досліджено особливості згущення рівнів поблизу континуумів. Але з
Рис 1. Вигляд траєкторій руху квазічастинок у
випадку притягання
Рис 1. Усереднені значення параметрів жолобів подвійної спіралі в сис-
темах Na0, K0 та Cs0. a) Ширина головного жолоба. b) Ширина мінорного
жолоба. c) Глибина головного жолоба. d) Глибина мінорного жолоба.
5. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
5
вигляду спектру автори роблять висновок, що надкритична нестабільність у полі електричного диполя не має
місця, бо жоден із енергетичних рівнів не занурюється в
континуум. Ми проводимо більш загальні обчислення і
показуємо, що надкритична нестабільність відбувається,
але в дещо завуальованій формі.
На жаль, змінні у рівнянні Дірака з дипольним поте-
нціалом не розділяються в жодній системі координат,
тому ми застосовуємо наближені методи квантової меха-
ніки. Спочатку проводимо аналіз за допомогою методу
лінійних комбінацій атомних орбіталей (ЛКАО). Цей метод
дозволяє досить просто провести розрахунки, в значній
мірі аналітично. Але, натомість, має обмежену застосов-
ність в області малих відстаней між домішками. Потім ми
здійснюємо обчислення варіаційним методом Гальоркіна-
Канторовича. Обидва підходи дають результати, що до-
сить добре узгоджуються як якісно, так і кількісно.
Ми досліджуємо поведінку енергії основного стану
електрона, а також відповідної хвильової функції в зале-
жності від відстані між домішками. В силу зарядової си-
метрії задачі, очевидно, що спектр є симетричним віднос-
но нуля. Отримані результати свідчать, що, залежно від значення заряду домішок, існує 2 варіанти розвитку по-
дій.
Якщо заряд кожної з домішок є занадто малим (таким, що енергія основного стану електрона в полі однієї
домішки ще не перетинає значення E0=0), то при збільшенні відстані R між домішками енергія основного стану
електрона монотонно змінюється від E=±∆ при R=0 до відповідного значення для однієї домішки при R→∞ (див.
Рис. 1, червона штрихова крива). При цьому хвильова функція електрона (для E<0) увесь час залишається лока-
лізованою на негативній домішці.
Якщо ж заряд домішок досить великий, то енергія основного стану електрона спочатку зменшується від
E=±∆ при R=0 майже до нуля (при деякому R0), а потім, проходячи через мінімум (максимум), знову віддаляється
і асимптотично прямує до значення для однієї домішки при R→∞ (див Рис.1, суцільна синя крива). Така немоно-
тонність у поведінці енергії пояснюється теоремою про неперетинання рівнів Вігнера-фон Неймана. Хвильова
функція електрона, яка спочатку локалізується на негативній домішці, після проходження «перетяжки» змінює
свою локалізацію і переходить на позитивну домішку (див. Рис. 2). В результаті отримуємо позитивну домішку,
заекрановану електроном, і негативну – діркою.
Рис.2. Квадрат модуля хвильової функції електрона в полі електричного диполя для трьох різних відстаней між домішками.
Спостерігається зміна локалізації хвильової функції з негативної домішки (зліва) на позитивну (справа), момент перелокалізації
зображений в центрі.
Це явище є проявом надкритичної нестабільності, але тут електрон-діркові пари народжуються із вакууму у
зв’язаних станах, екрануючи кожен свою домішку.
[1] M.I. Katsnelson, Graphene: Carbon in Two Dimensions (Cambridge University Press, New York, 2012).
[2] V.P. Gusynin, S.G. Sharapov, and J.P. Carbotte, Int. J. Mod. Phys. B 21, 4661 (2007).
[3] A. De Martino, D. Klopfer, D. Matrasulov, and R. Egger, Phys. Rev. Lett. 112, 186603 (2014).
ДИНАМІКА РУХУ ЕЛЕКТРОНІВ СКРІЗЬ ДВІ КВАНТОВІ ТОЧКИ У МАГНІТНОМУ ПОЛІ
Бобринець Ю.М.
1
, Анчишкін Д.В.
2
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, yulia37912@mail.ru
2
Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова
Метою роботи є дослідження процесів транспорту електронів у наносистемах. Система, яка досліджується,
складається з двох послідовно з’єднаних квантових точок приєднаних до електродів. Квантові точки поміщені в
постійне магнітне поле. Однорівнева квантова точка є квазі нуль-вимірна модель домішкового атому, на якому
утворюється андерсонівська локалізація електрону. Основним методом дослідження є метод рівнянь руху для
дво-часових функцій Гріна у рамках формалізму Келдиша. Розрахунок струму та диференціальної напруги вико-
нується в наближенні широкої зони. Чисельні розрахунки виконані для стаціонарного випадку. Дослідження пред-
ставляє теоретичний та практичний інтерес і є складовим у проблематиці, яка стосується розробки сучасних та
майбутніх електронних нанопристроїв та квантових обчислень (застосовуючи маленькі напруги до керування,
можливо керувати потоком електронів через квантову точку та їх поляризацією).
Рис.1. Обезрозмірена енергія основного стану електрона
(дірки) в полі диполя в залежності від відстані між доміш-
ками, обчислена методом ЛКАО: заряд домішок малий –
червона штрихова крива, заряд домішок малий – синя
суцільна крива.
6. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
6
МОЛЕКУЛЯРНА ДИНАМІКА АМЛОДИПІНУ БЕСИЛАТУ
Попюк Т.В,
1,2
, Булавін Л.А.
1
, Худоба Д.
2
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, great.lond@gmail.com
2
Об’єднаний інститут ядерних досліджень, м. Дубна, Росія
Детальне вивчення фазових переходів, які виникають під дією впливу зовнішніх факторів, а також дослі-
дження структурних особливостей нових поліморфних форм лікарських засобів являє одну з найактуальніших
проблем сучасної фармакології та фізики конденсованого стану [1].
Амлодипін - нове покоління лікарських засобів [2]. Похідне дигідропіридину [3], що є блокатором повільних
кальцієвих каналів (БКК), блокує надходження іонів кальцію через мембрани в клітини гладеньких м'язів міокарда
та судин [4]. Як і інші представники групи БКК, амлодипін використовується для зниження кров'яного тиску та
запобігання грудних болів. Збільшуючи діаметр кров'яних
судин, знижує тиск. Має антиангінальну та гіпотензивну дію
[5]. Застосовується при лікуванні ішемічної хвороби серця і
гіпертензії. Відомі три його поліморфні форми: бесилат,
мезілат і малеат. Ефективність препарату у вигляді двох
останніх форм істотно нижче від їх аналога - бесилата
(C20H26ClN2O5·C6H5SO3), у зв'язку, з чим і досліджувала-
ся саме ця форма.
Структурну формулу молекули амлодипіну бесилата
представлено на Рис. 1.
Метою даної робити є дослідження динаміки молеку-
ли амлодипіна бесилата при різних температурах за допо-
могою методу непружного розсіювання нейтронів.
[1] Brittain H.G. // J. Pharm. Sci. 2002. V. 91(7) P. 1573–80.
[2] Ananchenko G., Novakovic J., Lewis J. Profiles of drug substances, excipients, and related methodology: Amlodipine
Besylate / Editor H. G. Brittain // Academic Press.: 2012. – V. 37. – P. 31-77.
[3] Meredith P.A., Elliott H.L. Dihydropyridine calcium channel blockers // Journal of Hypertension, 2004. - 22(9). – P. 1641-
1648.
[4] Toal C.B., Meredith P. A., Elliott H. L. Long-acting dihydropyridine calcium-channel blockers and sympathetic nervous
system activity in hypertension: A literature review comparing amlodipine and nifedipine GITS // Blood pressure., 2012. – 21. (S1). – P.
3-10.
[5] Choi N.Y., Choi N., Park H.H., et al. Neuroprotective effects of amlodipine besylate and benidipine hydrochloride on oxidative
stress-injured neural stem cells // Brain Res., 2014. – V. 1551. – P. 1-12.
ДИНАМІКА ВИХОРОВИХ ЗБУДЖЕНЬ В ТОРОЇДАЛЬНИХ БОЗЕ-ЕЙНШТЕНІВСЬКИХ КОНДЕНСАТАХ
Курятніков Є.І.
1,*
, Якименко О.І.
1
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет
*
Email: kuriatnikov@gmail.com
Стійкі надплинні потоки, або "потоки без тертя", є візитною карткою надплинності. Нещодавно стійкий над-
плинний потік атомів спостерігався в Бозе-Ейнштейнівських конденсатах (БЕК), захоплених в пастку тороїдаль-
ним потенціалом [1-5]. Це дозволяє проводити фундаментальні дослідження явища надплинності та може бути
використано для виготовлення приладів високоточної метрології та «атомотроніці». Надплинне кільце зі слабкою
ланкою (локалізована область зменшеної надплинної щільності), як і надпровідний контур із джозефсонівським
контактом, може виступати в якості нелінійного інтерферометра, що дозволяє виготовлення високоточних детек-
торів, таких як надпровідний квантовий інтерферометр (СКВІД), магнітометри та надплинні гіроскопи. Висока
чутливість фази конденсату до кутової швидкості бар'єру аналогічна швидким реакціям надпровідного струму в
СКВІД, викликаним змінами в зовнішньому магнітному полі. Ця властивість робить атомарний СКВІД ідеальним
для майбутніх розробок високочутливих приладів, що вимірюють кутові швидкості обертання. Зовсім нещодавня
експериментальна демонстрація ефекту гістерезису [2] в атомарному БЕК підняла важливі проблеми, які ще на-
лежить вирішити. Мабуть, найбільш вражаючою, є велика розбіжність між експериментальними даними та ре-
зультатами попередніх теоретичних досліджень. Для розробки прототипів майбутніх пристроїв вимірювання висо-
кої точності, ми повинні прояснити природу прослизання фази в атомарних СКВІДах.
Стохастичні теплові флуктуації можуть значно збільшити ймовірність прослизання фази, коли область слаб-
кої ланки пригнічує потенційний бар'єр для вихорів в кільцеподібному конденсаті. Ми показали нещодавно [6], що
через значне зменшення числа атомів під час процедури перемішування ширина петлі гістерезису повинна зме-
ншуватися. У цій роботі ми розглядаємо такі питання: Як теплові флуктуації впливають на утворення та розпад
квантових вихорів в кільцевих БЕК зі збільшенням та зменшенням енергії? Чи є зменшення числа атомів в атом-
ній хмарі з часом ключовим фактором, що має враховуватися для опису в останніх експериментах [2] з гістерези-
сом в кільцеподібних БЕК?
Теоретично досліджено дисипативну динаміку конденсату з параметрами, що відтворюють реальні умови
експерименту. За значної серії чисельних моделювань ми досліджуємо процес гістерезису в рамках узагальненої
моделі середнього поля, з урахуванням розсіяння енергії конденсату та кількості сконденсованих атомів, а також
враховуючи стохастичний тепловий шум.
K. C. Wright, R. B. Blakestad, C. J. Lobb, W. D. Phillips, and G. K. Campbell, Phys. Rev. Lett. 110, 025302 (2013).
S. Eckel, J. G. Lee, F. Jendrzejewski, N. Murray, C. W. Clark, C. J. Lobb, W. D. Phillips, M. Edwards, and G. K. Campbell,
Nature 506, 200 (2014).
Рис. 1. Структурна формула амлодипіна бесилата
7. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
7
C. Ryu, M. F. Andersen, P. Clad´e, V. Natarajan, K. Helmerson, and W. D. Phillips, Phys. Rev. Lett. 99, 260401 (2007).
A. Ramanathan, K. C. Wright, S. R. Muniz, M. Zelan, W. T. Hill, III, C. J. Lobb, K. Helmerson, W. D. Phillips, and G. K.
Campbell, Phys. Rev. Lett. 106, 130401 (2011).
S. Moulder, S. Beattie, R. P. Smith, N. Tammuz, and Z. Hadzibabic, Phys. Rev. A 86, 013629 (2012).
A. I. Yakimenko, S. I. Vilchinskii, Y. M. Bidasyuk, Y. I. Kuriatnikov, K. O. Isaieva, and M. Weyrauch, Rom. Rep. Phys. 67, 249
(2015).
КЕРУВАННЯ ПЛАЗМОНОМ В МОНОШАРІ ГРАФЕНУ З ДОПОМОГОЮ РІДКОГО КРИСТАЛУ
Андрушко К. А.
1
, Задорожний В. І.
1
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, radkat13@gmail.com
Метою роботи є дослідження впливу переорієнтації директора рідкого кристалу (РК) на зміну спектрів відби-
вання, проходження та абсорбції у терагерцевому діапазоні частот при нормальному падінні світла в системі РК -
періодична графенова ґратка - діелектрик при збудженні в ґратці поверхневих плазмонів. Подібна задача, у якій
замість РК використовувався ізотропний діелектрик, була розглянута у роботі [1].
У роботі досліджувалась система РК – графенова ґратка - діелектрик. Директор нематичного РК, розта-
шований під кутом до нормалі ґратки, може переорієнтовуватись під дією прикладеного електричного або
магнітного поля. Період гратки
, ширина графенової
мікро-стрічки . Результати
проведених числових розрахунків
для коефіцієнта поглинання наведені
на Рис.1 та Рис. 2 для кутів нахилу
директора
Було показано, що збільшення
кута нахилу директора нематичного
РК приводить до зменшення коефіці-
єнта відбивання R, збільшення кое-
фіцієнта поглинання A, та збільшення
коефіцієнта проходження світла Т,
що нормально падає на систему в
ТГц діапазоні частот.
Збільшення діелектричної про-
никності підкладки 2 приводить до зсуву спектру в червону область спектра.
[1] A .Yu. Nikitin, F. Guinea, F. J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno. Phys. Rev. B, Vol. 85, 0814405 (2012).
СТРУКТУРА НАНОАЛМАЗНИХ КЛАСТЕРІВ У ВОДНИХ СУСПЕНЗІЯХ
Томчук Олександр Васильович
1
, Булавін Леонід Анатолійович
1,2
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, tomchuk@jinr.ru
2
Інститут проблем безпеки АЕС НАН України
Серед алотропних форм вуглецю особливе місце посідають ультрадисперсні алмази детонаційного синтезу.
Детонаційні наноалмази утворюються в результаті вибуху киснево-незбалансованої вибухівки, без будь-яких
додаткових джерел вуглецю. Наноалмазні частинки – це кристаліти кубічного алмазу з характерним розміром 3-
5 нм. Вони знаходять своє застосування в широкому колі задач сучасних нанотехнологій, включаючи використан-
ня в біомедицині, що вимагає виготовлення рідинних систем з наноалмазами на основі води.
Останнім часом вдається синтезувати високостабільні суспензії наноалмазів. Однак велика питома площа
поверхні, наявність дипольного моменту та різноманітних поверхневих функціональних груп призводять до утво-
рення стабільних кластерів в полярних системах [1-4].
Метою даної роботи є дослідження структури та опис росту даних кластерів.
Відносно висока концентрація таких суспензій дозволяє застосування методу малокутового розсіяння нейт-
ронів (МКРН) для вияснення різних аспектів внутрішньої будови частинок детонаційних наноалмазів та їх класте-
рів. МКРН дозволяє отримати повну структурну інформацію про багаторівневу організацію наноалмазних суспен-
зій. Так, було показано, що наноалмазні частинки формують розгалужені кластери, яким притаманний доволі
широкий розподіл за розмірами ((10÷100) нм і вище). Механізм формування кластерів близький до моделі обме-
женої дифузією агрегації (спостережувана фрактальна розмірність (2.3÷2.5)) незалежно від типу стабілізації, що
визначається поверхневою хімічною модифікацією. Взаємодія між кластерами носить відштовхувальний харак-
тер, однак розгалужена структура дозволяє взаємопроникнення кластерів у висококонцентрованих суспензіях, що
при певних концентраціях призводить до переходу до стану мікрогелю.
Самі частинки наноалмазів теж полідисперсні ((3÷10) нм і вище) та характеризуються неоднорідною внутрі-
шньою будовою. Алмазний стан вуглецю в центрі наночастинок неперервно переходить у графітовий (графено-
вий) стан на поверхні [2].
[1] O.V. Tomchuk et al., J. Surf. Inv. X-Ray, Synchr. Neutron Tech. 6, 821 (2012).
[2] M.V. Avdeev et al., J. Phys. Cond. Matt. 25, 445001 (2013).
Рис. 1 Графік залежності коефіцієнта
поглинання від довжини хвилі падаю-
чого світла для діелектричної проник-
ності шару під ґраткою
Рис. 2 Графік залежності коефіцієнта
поглинання від довжини хвилі
падаючого світла для діелектричної
проникності шару під ґраткою
8. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
8
[3] O.V. Tomchuk et al. J. Appl. Cryst. 47, 642 (2014).
[4] O.V. Tomchuk et al., J. Phys. Chem. C 119, 794 (2015).
Стендові доповіді
SOLVANOHOBIC SOLVATION AND INTERACTIONS OF APOLAR SPECIES
IM IMIDAZOLIUM-CHLORIDE IONIC LIQUIDS AT T=400K
Vornichesku I.S., Atamas N.O.
Kyiv National Taras Shevcheko University, Facuklty of Physics,Department of Molecular Physics, iravorni@gmail.com
The ionic nature of ionic liquids (ILs) results in a unique combination of intrinsic properties which are of special
interest in the research. One of the main research fields is their exploitation as solvents for liquid −liquid extractions. It is
thus important to know the mutual solubilities between ILs and hydrophobic solutes before their industrial applications.
We perform a molecular simulation structural study of the solvation of non-polar solutes ( argon, methane, benzene) in
ionic liquids. It is the novel way of understanding ionic liquid solutions properties and its nature as microsegregated
media.
In this work, the mutual solubilities of imidazolium-based ILs with argon, methane and benzene were obtained at T
= 400 K. The MD was used for the description of the solute molecule − IL binary systems studied. The effect of the ILs
on the local structure were analyzed and discussed. Molecular dynamics simulation was performed using an adaptation
of the DL POLY_4.0 software with a time step of 2 fs. The long range electrostatics was treated by means of Ewald
summation. The temperature was maintained constant using a Berendsen thermostat. Calculations were carried out at T
= 400 K. Sizes and shaped of model molecules were determined from experiment. Attractive interaction forces were
determined by electrostatics, dispersion and short range repulsive forces.
Conducted calculations allowed us to obtain information on the structural characteristics of the saline solutions at
T=400 K. The radial distribution functions (RDF) was used for the analysis of the local structure of IL-dissolved molecule.
The influence of dissolved species on the local structure, diffusion coefficients and energy characteristics of the liquid
system were analyzed.
1.Skaf M. S. Molecular Dynamics Simulation of the Wave Vector-Dependent Static Dielectric Properties of Methanol–Water
Mixtures / M. S. Skaf, B. M. Ladanyi // J. Chem. Phys. – 1995. – Vol. 102, №16. – P. 6542 – 6551.
2. Buchner M. The Short-time Dynamics of Molecular Liquids. Instantaneous-normal-mode Theory / M. Buchner, B. M. Ladanyi,
R. M. Stratt // J. Chem. Phys. – 1992. – Vol. 97, №11. – P. 8522 – 8535.
3. Turner J. Z. Ionic Versus Apolar Behavior of the Tetramethylammonium Ion in Water / J. Z. Turner, A. K. Soper, J. L.Finney //
J. Chem. Phys. – 1995. –Vol. 102. – P. 5438 – 5447.
4. Kosztolányi T. Hydrogen Bonding in Liquid Methanol, Methylamine, and Methanethiol Studied by Molecular-Dynamics
Simulations / T. Kosztolányi, I. Bakó, G. Pálinkás // J. Chem. Phys. – 2003. – Vol. 118, №10. – P. 4546 – 4555.
5. Entalpy of Transfer of -CH2- between Water and Organic Solvents or Mixed Aqueous Organic Solvent System / I. McStravick,
K. Flynn, J. Lambert [et al.] // J. Mol. Liq. – 2000. –Vol. 94. – P. 145–153.
6. Крестов Г.А. Термодинамика процессов в растворах / Г.А. Крестов. Л.:Химия. –1984. – 272с.
ОСМОТИЧНИЙ ТИСК БІНАРНОГО РОЗЧИНУ В ОКОЛІ КРИТИЧНОЇ ТОЧКИ РОЗШАРУВАННЯ
Дворецька В.І.
1
, Гаврюшенко Д. А.
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, ms.dvorecka@mail.ru
В роботі досліджені особливості поведінки флюїдів в обмежених системах. Проведено розгляд залежності
хімічного потенціалу та осмотичного тиску [1] від радіусу кореляції в плоскопаралельних порах поблизу критичної
точки розшарування [2]. Знайдено вирази для обчислення осмотичного тиску та хімічного потенціалу. Показано,
що як хімічний потенціал [3] бінарного розчину, так і осмотичний тиск залежать від радіусу кореляції. Для прикла-
ду, залежність осмотичного тиску p від радіусу кореляції в порі з експоненціальним пристінковим потенціалом
має вигляд:
2
0 1 2 1 2 1 2 1 2
1 22
2 2 2 20 0
2 2 2 2
1
1 1 1 1
sh sh ch sh
sh
( ) sh ( ) sh .
ch ch
kL kL kL kL kL
L L
kL kL
x B B B B B B B BkL L
p e e k e k e B B e kL
L Lx V p kLk k k k
На Рис 1 показано залежність відносного осмотичного тиску
0
0
( )p p
p
бінарного розчину в плоскій порі з експоненціальним прис-
тінковим потенціалом від радіусу кореляції для системи з
5
10L
м, 1 10
3 10k
м. та різних значень 1B та 2B :1 -
1 24
1
10
B Дж та 2 24
0 1
10
.
B Дж ; 2 - 1 24
1
10
B Дж та 2 24
0 5
10
.
B Дж ; 3 -
1 24
0 5
10
.
B Дж та 2 24
0 3
10
.
B Дж. Встановлено, що осмотичний тиск
бінарної суміші, викликаний наявністю зовнішнього поля, в обме-
женій системі суттєвим чином залежить від розмірів системи [1].
Аналіз наведених на рис. 1 даних вказує на те, що з наближенням
до критичної точки розшарування осмотичний тиск системи зменшується на 90%.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
(p-p0
)/p0
/L
1
2
3
Рис 1.
9. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
9
[1] Семиохин И. А. Физическая химия. М.: МГУ, 2001. — 272 с.
[2] Булавін Л. А., Сисоєв В. М. Фізика фазових переходів. К.: ВПЦ КНУ, 2010. – 400 с.
[3] Булавін Л. А., Гаврюшенко Д. А., Сисоєв В. М. Молекулярна фізика. К.: Знання, 2006. – 566 с.
КОРЕЛЯЦІЙНА СПЕКТРОСКОПІЯ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ АЛЬБУМІНУ: ТЕМПЕРАТУРНИЙ ТА ІОННИЙ ВПЛИВ
Збанченко О. В., Бардік В.Ю.
КНУ імені Т.Г.Шевченко, фізичний факультет, кафедра молекулярної фізики, просп.Академіка Глушкова, 4, Київ,
Україна,e - mail:vital@univ.kiev.ua
Стабільність біологічних макромолекул в залежності від дії різноманітних денатуруючих факторів має важ-
ливе практичне та теоретичне значення. Стабільність білка та його можливість зберігати біологічне функціону-
вання в певних умовах (pH, температура, склад зовнішнього оточення) є об‘єктивною фізико-хімічною характери-
стикою макромолекули, що зумовлена як внутрішньою структурою білка так і природою його взаємодії з зовнішнім
оточенням
Дана робота присвячена дослідженню температурного впливу при різних концентраціях іонів NaCl на розмі-
ри та форму молекули альбуміну у водному розчині із застосуванням динамічного світлорозсіяння та віскозімет-
ричних методик. В роботі одержанні часові залежності кореляційних функцій другого порядку, зсувні та характе-
ристичні в‘язкості водного розчину сивороткового альбуміну. На основі аналізу експериментальних даних було
обчислено значення гідродинамічного радіуса при різних концентраціях та побудовані його температурні залеж-
ності в інтервалі 30-450С.
ВІДНОВЛЕННЯ ПОТЕНЦІАЛУ ВЗАЄМОДІЇ ЧАСТИНОК ОБЕРНЕНИМ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО
Зімін О.С., Григор’єв А.М.
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, verytrashmail@gmail.com
Звичайним методом Монте-Карло були розраховані структурні властивості (радіальна функція розподілу)
модельних 2D флюїдів, у яких взаємодія частинок описується потенціалом “м’яких дисків” з різними показниками
сил відштовхування. Проаналізовані можливості коректного визначення цих показників, виходячи з даних щодо
радіальної функції розподілу за допомогою оберненого методу Монте-Карло.[1][2][3][4]
[1] A.P. Lyubartsev and A. Laaksonen, On the Reduction of Molecular Degrees of Freedom in Computer Simulations, Lect.
Notes Phys. 2004, 640, 219–244
[2] Rapaport D. C., The Art of Molecular Dynamics Simulation 2ed., Cambridge, 2004,565s
[3] D. Frenkel , Smit B., Understanding Molecular Simulation From Algorithms to Applications, Academic Press, 1996, 638
[4] І. І. Адаменко, Л. А. Булавін, Фізика рідин та рідинних систем
РОЗРАХУНОК ЕНЕРГІЇ МОЛЕКУЛЯРНОЇ ВЗАЄМОДІЇ ІЗОМЕРІВ КСИЛОЛУ
МЕТОДОМ ФУНКЦІОНАЛУ ГУСТИНИ
Каурковська В.О., Григор’єв А.М.
КНУ імені Т.Г.Шевченко, фізичний факультет, кафедра молекулярної фізики, просп..Академіка Глушкова, 4,
Київ, Україна, E-mail: vakla@ukr.net
Ізомери ксилолу є зручними об’єктами для вивчення впливу „форми” молекули на термодинамічні парамет-
ри, так як мають однакову вагу та хімічний склад. Ізомери ксилолу відрізняються лише просторовою будовою, яка
обумовлює відмінності в їх теплофізичних властивостях. В роботі [1] для моделі жорстко зв’язаних твердих сфер,
що імітували ізомери молекул ксилолу, розраховувалися такі параметри, як густина та ізотермічний модуль пруж-
ності. Було показано, що при нехтуванні сил притягання форма частинки майже не впливає на теплофізичні влас-
тивості відповідного флюїду. З іншого боку, відомо, що пружні властивості рідкого мета-ксилолу відрізняються від
пружних властивостей рідких пара- та орто-ксилолу. Тому, можна припустити, що різниця в теплофізичних влас-
тивостях рідких ксилолів обумовлена більш тонкими відмінностями в потенціалі їх взаємодії. Мета нашої роботи
полягала у розрахунку цих відмінностей. Ab initio розрахунки виконувалися методом функціоналу густини за до-
помогою програмного модуля PC GAMESS [2]. Були визначені залежності енергії взаємодії від відстаней між мо-
лекулами ізомерів ксилолу. Показано, що максимальна енергія взаємодії спостерігається між молекулами орто-
ксилолу.
1. Григор’єв А.М., Королович В.Ф., Кузовков Ю.Г., Марков І.В.,Мороз К.О., Павленко Д.В. Пружні властивості молекуляр-
них модельних флюїдів у наближенні жорстко зв’язаних твердих сфер // Вісник Київського університету Сер.: фіз..-мат. науки. –
4. – C.1-4 – (2012).
2. M.W.Schmidt and all. General atomic and molecular electronic-structure system: Review // J. Comput. Chem., 14(11),
P.1347 – 1363 (1993).
ВПЛИВ РОЗМІРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ НА ФОРМУ КАПІЛЯРНОЇ ПОВЕРХНІ
Клочко Л.П1
, Бур’ян С.А. 1
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, lyuda-klochko@yandex.ru
Метою роботи є оцінка та порівняння вплив розмірної залежності поверхневого натягу для сферичної та ци-
ліндричної поверхонь.
Розмірна залежність поверхневого натягу від кривизни, для сферичної поверхні визначається добре відо-
мим рівнянням Гіббса-Толмена-Кєніга-Баффа (GTKB)[1–4]:
10. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
10
2
2
1
2 1 3
ln
2 1 3
R
s
r r r
dr
r r r
R
, (1)
де – поправка Толмена, s R – міжфазовий поверхневий натяг сферичної поверхні поділу фаз з радіу-
сом кривизни R , R – міжфазовий поверхневий натяг плоскої поверхні поділу фаз.
Точний аналітичний розв’язок цього інтегрального рівняння можливий в наближенні, коли так званий δ-
параметр Толмена не залежить від кривизни поверхні поділу фаз. Вперше отриманий в роботі[5] і згодом в більш
зручному вигляді повторено в роботі[6]
2
23
1
ln
exp
3 4 2
s
k k
k k
k
R
R
s s
R ss
, (2)
де
1/3 2/3 1/3 2/3 1/3 2/3
; ;
1 1 1
2 2 2 4 2 1 3 2 1 3 4 2 1 3 2 1 3
3 6 6
ks i i i i
є коренями кубічно-
го рівняння
3 2
3 6 6 2 0s s s .
Рівняння для циліндричної поверхні аналогічне GTKB, можна отримати методом розділяючої поверхні Гібб-
са в рамках термінології надлишкових величин Гіббса, як це пропонується в роботі[7]:
2
2
2
ln
2 2
R
s r r
d
r r
R
r
. (3)
Як і у сферичному випадку, рівняння вирішується методом інтегрування раціональних функцій шляхом розк-
ладу підінтегральної функції на елементарні дроби:
2
2 1
exp arctan
1 22 2 1
c
R
R
RR R
. (4)
Загалом, слід розрізняти параметри Толмена для сферичної s та циліндричної c поверхонь.
Наближені значення поверхневого натягу для сферичної та циліндричної поверхонь через відповідні « -
параметри Толмена» можна представити у вигляді кількох перших членів розкладу в ряд Тейлора в околі нуля по
параметру R :
2 3 4
32
1 2 3
9
s s s s
s R
R R R R
(5)
2 3 4
3 15
1
4 12
c c c c
c R
R R R R
(6)
Значення параметра Толмена для сферичної поверхні[8] через ізотермічне рівняння стану
0 0 0p p p f V V V для рідини має наступний вигляд:
' ''
2'
4 0 3 0
6 0
s
f f
f
, (7)
де 0p , 0V - реперна точка, що лежить на кривій співіснування.
Також формула (7) може бути записана через ізотермічну стисливість '
0 1 Tf , '' 2
0 T Tf p :
3
4
6
T
s T
T p
. (8)
Для циліндричної поверхні можна отримати аналогічні рівняння, провівши ряд міркувань подібних
9 3
6 2
T
c T
T p
. (9)
1. Kondo, S.: Thermodynamical fundamental equation for spherical interface. J. Chem. Phys. 25, 662–669 (1956).
2. Tolman, R.C.: The Effect of Droplet Size on Surface Tension. J. Chem. Phys. 17, 333 (1949).
3. Buff, F.P.: Curved Fluid Interfaces. I. The Generalized GibbsKelvin Equation. 146, (1956).
4. Buff, F.P., Saltsburg, H.: Curved Fluid Interfaces. II. The Generalized Neumann Formula. J. Chem. Phys. 26, 23 (1957).
5. Jenkovszky, L.L., Kaempfer, B., Sysoev, V.M.: Bubble-free energy during the confinement transition. Phys. At. Nucl. 57 (8),
1507–1509 (1994).
11. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
11
6. Rekhviashvili, S.S., Kishtikova, E.V.: On melting temperature of nanoparticles and nanostructured substances. Pis’ma v
Zhurnal Tekhnicheskoj Fiz. 32(10), 50–55 (2006).
7. Rekhviashvili, S.S., Kishtikova, E. V.: On the size dependence of the surface tension. Tech. Phys. 56, 143–146 (2011).
8. Bulavin, L.A., Grekhov O.A., Sysoev V.M.: Evaluation of Tolman correction based on equation of state. Poverkhnost. 74–77
(1998).
THE EXPERIMENTAL METHOD FOR INCREASING OF MRI IMAGES QUALITY
Oliinyk А. V. (1)
, Vergun L. Y. (1)
(1)
Taras Shevchenko National University of Kyiv, 64/13, Volodymyrska Street, 01601,City of Kyiv, Ukraine,
anyaolejnik@yandex.ru
Investigated the problem of improving the image quality during MRI scans. The occurrence of this problem to the
influence of external magnetic fields on the diffusion of substances through the epidermis. To hypothesize concerning the
relationship between the quality of MRI images and the presence of the defective areas in the epidermis filled with
magnetic particles. Proposed use of glycerol, pre-treated in a constant magnetic field. The developed method of evaluate
the effectiveness of using magnetic field for pre-treated of contrasting agents. It is established that the magnetic coating
changes the thermal conductivity of glycerol. The result is associated with the anisotropic orientation of clusters in the
direction of the magnetic field. It is concluded that the application of glycerol is accumulates the effect of magnetically
sensitive particles in the surface layer of the epidermis and prevents incorrect MRI images.
ВИЗНАЧЕННЯ СТРУКТУРНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ФЛЮЇДІВ МЕТОДОМ ЧИСЕЛЬНОГО РОЗВ’ЯЗКУ РІВНЯНЬ
РУХУ ДЛЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ФУР’Є ФЛУКТУАЦІЙ ГУСТИНИ
Опришко Б.С.1
Григор’єв А.М.1
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра молекулярної
фізики, просп-Академіка Глушкова, 4, Київ, Україна oprishko.bogdan@mail.ru
Метою роботи було розрахувати структурні властивості флюїду. Для досягнення поставленої мети була на-
писана спеціальна комп’ютерна программа, за допомогою якої були знайденні значення енергій для системи
багатьох частинок. Для того, щоб продемонструвати ефективність вивчення фізичних властивостей за допомо-
гою величини k
розглянули потенціальну енергію багаточастинкової системи 1( )N r ,...,r . Припустили, що
вона складається із суми попарних взаємодій між частинками:
1 1 1
1
( ) ( )
2
N N
i j i j
i j N i j
r r r r
Ми, крім того, припускаємо, що функція (r) залежить лише від відстані між двома частинками, тобто, що
вона залежить від модуля вектора r i j r r і отже :
( ) ,ri j r r r r
Функція (r) є потенціальною енергією взаємодії між двома частинками, часто її називають просто потенці-
алом взаємодії або просто потенціалом(хоча потенціал має іншу розмірність, ніж енергія) [1].
Методом молекулярної динаміки розраховані структурні властивості (радіальна функція розподілу і структу-
рний фактор) модельного флюїду, частинки якого взаємодіють за допомогою гауссового потенціалу. Проаналізо-
вані можливості розрахунку цих властивостей за допомогою чисельного розв’язку рівнянь руху для коефіцієнтів
Фур'є флуктуацій густини. Застосування чисельних методів має велике практичне значення. Вони дозволяють
ефективно прогнозувати властивості речовини за таких екстремальних умовах (напр. високі тиски або температу-
ри), проведення експерименту за яких або неможливе або потребує дуже великих затрат (ударні хвилі, плазма,
робота ядерного реактора, моделювання геологічних процесів у ядрі Землі тощо) [2].
В даний час одним з небагатьох теоретичних підходів, які дозволяють по заданому потенціалу взаємодії
знайти структурні і термодинамічні характеристики систем, яких вивчають і відповідній роботі в тому числі і флюї-
дів є класичний метод функції густини
Виходячи з інтуїтивних міркувань, ми очікуємо, що у рівноважному стані і поза критичними точками флюкту-
ації густини частинок у рідині, є незначними. Або, як кажуть, флюктуації є нерозвиненими і можна сподіватись, що
характер коливань густини частинок майже гармонічний. Нелінійність флюктуацій лише “забарвлює" обертонами
основні гармоніки. Зрозуміло, що ці міркування втрачають силу, якщо флюктуації є сильнорозвиненими, як напри-
клад, в околі критичної точки або при турбулентному русі рідини. Наші сподівання підсилює також те, що потенці-
альна енергія багаточастинкової системи є квадратичною формою за величинами k
, Ми беремо вже знайдені
рівняння руху для величин
k .
[3]
22 2 2
0 1
1 j
N
i
k q j
j
N T N T
k v k v +q - e k
mV m mV mN
v kr
k k k
q
q k 0
qk q k k
[1] Вакарчук І.О. Вступ до проблем багатьох тіл // Посібник . – ЛНУ імені Івана Франка, 1999. -220с :с.47
[2]Григор’євА.М., КороловичВ.Ф., Кузовков Ю.Г., Марков І.В., МорозК.О., Павленко Д.В. Пружні властивості молекуляр-
них модельних флюїдів у наближенні жорстко зв’язаних твердих сфер //Вісник Київського університету Сер.: фіз..-мат. науки--
4.-С.1-4-(2012).
[3] Юхновский И.Р. Журн. Эксперим. И теорет. Физ. 1958. Т. 34. Вып. 2. С. 379-389.
12. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
12
ТЕРМОДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА РІВНЯННЯ СТАНУ МАГНІТНОЇ РІДИННОЇ СИСТЕМИ, СТАБІЛІЗОВАНОЇ
ЛИМОННОЮ КИСЛОТОЮ
Остапчук А. С., Мороз К. О.
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, ostapchukandrii@gmail.com
Проведено P-V-T вимірювання магнітної рідинної системи на основі води, стабілізованої лимонною кисло-
тою, в інтервалі тисків від 0,1МПа до 101 МПА та температур від 303К до 345К. Знайдено коефіцієнт теплового
розширення p , модуль пружності TK , ізотермічний приріст термодинамічного потенціалу Гіббса G , ізотер-
мічний приріст ентропії T S та внутрішньої енергії U .
Результати досліджень співставленні з аналогічними результатами отриманими для води.
Експериментально встановлено, що внесення магнітної речовини у воду призводить до значного зростання
модуля пружності TK та відповідної зміни приросту внутрішньої енергії U .
ДОСЛІДЖЕННЯ КІНЕТИКИ ВИПАРОВУВАННЯ ОДНОАТОМНИХ СПИРТІВ
ТА БІНАРНИХ СПИРТОВИХ РОЗЧИНІВ
Синжерецький В. М.1
, Вербінська Г. М.1
1
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет,
vadymsynzheretskyi@gmail.com
Метою роботи було дослідити вплив структурного фактору на кінетику випаровування крапель одноатомних
спиртів та їх бінарних спиртових розчинів.
За використання методу випаровування підвішених краплин були визначені швидкості випаровування кра-
пелин ряду одноатомних спиртів (етанол, пропанол, бутанол, пентанол, гептанол, октанол, деканол) в атмосфері
азоту в діапазоні тисків (760 ÷ 30) мм. рт. ст.
Проведені вимірювання швидкості випаровування бінарних спиртових розчинів етанол – октанол та пропа-
нол – октанол з різними початковими концентраціями компонент за значення тиску газового середовища 760 мм.
рт. ст.
На основі аналізу проведених досліджень та порівнянні з результатами нейтронних експериментів, що до-
зволяють виділити колективний та одночастковий внески в коефіцієнт самодифузії указаних розчинів, можна
зробити наступні висновки.
— Швидкість випаровування крапель спиртів зменшується з ростом порядкового номеру спирту в широкому
діапазоні тисків від (760 ÷ 30) мм. рт. ст.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
D,Dk,10
-9
M
2
/c
кількість атомів Н у молекулі спирту
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
5
10
15
20
кількість атомів Н у молекулі спирту
dS/dt,(CM
2
/c)*10
-5
Рис. 1 Залежність повного коефіцієнту дифузії та колективно-
го внеску від кількості атомів H.
Рис. 2 Залежність швидкості випаровування крапель спиртів
від кількості атомів водню Н в спирті.
— Значне зменшення швидкості ви-
паровування високомолекулярних спир-
тів порівняно з низькомолекулярними
пов’язане перш за все із структурними
змінами, а саме із зростанням кількості
сольватних комплексів при збільшенні
номеру спирту, на що вказує збільшення
колективного внеску в коефіцієнт само-
дифузії спиртів.
— Залежності зміни площі краплли-
ни з часом для спиртових розчинів мають
нелінійний характер на відміну лінійних
залежностей для спиртів.
Швидкість випаровування спирто-
вих розчинів етанол – октанол та пропа-
нол – октанол за атмосферного тиску
лінійно зростає із збільшенням початко-
Рис. 3 Залежність відносної зміни площі краплини з часом (пропанол-октанол)
13. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
13
вої концентрації легшої компоненти суміші. Причому швидкість випаровування суміші можна наближено розраху-
вати за емпіричною формулою:
1 2 2 1
cум
dS
v v C v C
dt
(1)
0 25 50 75 100
0
2
4
6
8
10
12
14
dS/dt,(cm
2
/c)*10
-5
C ,%
0 25 50 75 100
0
5
10
15
20
dS/dt,(cm
2
/c)*10
-5
C,%
Рис. 4,5 Залежність швидкості випаровування у подвійному спиртовому розчині етанол – октанол(4) та пропанол-октанол(5) від
початкової концентрації на першому етапі процесу випаровування.
1. Фукс Н. А. Испарение и рост капель в газообразной среде / Н. А. Фукс. – М. : Изд-во АН СССР, 1954. – 92 с.
2. Булавін Л. А. Кінетика випаровування крапель рідин в парогазовому середовищі: навч. посібник для студентів фізич-
ного факультету / Л. А. Булавін, Г. М. Вербінська, В. М. Нужний. – К. : ВЦ “Київський університет”, 2003. – 35 с.
3. Wagner P.E. AerosolGrowth by Condensation // Top. Curr. Phys., V.29, 1982, pp.129-178.
4. Hopkins J. R. Evaporation of ethanol/water droplets: examining the temporal evolution of droplet size, composition and tem-
perature / J. R. Hopkins, P. J. Reid // J. Phys. Chem. A. – 2005. – V. 109, I. 35. – P. 7923–7931.
5. Hallett W. L. H. Evaporation of single droplets of ethanol–fuel oil mixtures / W. L. H. Hallett, S. Beauchamp-Kiss // Fuel. –
2010. – V. 89, I. 9. – P. 2496–2504.
6. Evaporation of acoustically levitated multi-component liquid droplets / G. Benn, L. J. Deviprasath, F. Durst, C. Fink // Interna-
tional Journal of Heat and Mass Transfer. – 2007. – V. 50, I. 25-26. – P. 5073–5086.
.
ВПЛИВ КИСЛОТНОЇ ОБРОБКИ НА МІКРОСТРУКТУРУ ТА ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СУСПЕНЗІЙ
БАГАТОШАРОВИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК В ГЛІЦЕРИНІ
І. Мельникa,b
, Л. Булавінb
, Г. Довбешкоc
, В. Михайликd
, М. Лебовкаa*
a
Інститут біоколоїдної хімії імені Ф. Д. Овчаренка Національної академії наук України, бул. акад. Вернадсько-
го,42, Київ 03142, Україна, irinamelnik1989@gmail.com
b
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет,
пр. акад. Глушкова, 2, Київ 03127, Україна
c
Інститут фізики Національної академії наук України, пр. Науки, 46, Київ 03028, Україна
d
Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, вул. Желябова, 2a, Київ 03057, Україна
Досліджено вплив кислотної обробки на структуру і властивості гліцеринових суспензій багатошарових вуг-
лецевих нанотрубок (НТ) при їх концентрації 0 - 2% мас. Обробка проводилася в суміші азотної (HNO3) та сірчаної
(H2SO4) кислот з об’ємним відношенням 1:3 при температурі T=343 K на протязі 5-60 хв. Ступінь впливу кислот-
ної обробки на структуру аналізувався при використанні термічного аналізу і даних інфрачервоної спектроскопії.
Досліджена також мікроструктура суспензій і їх електропровідність. Показано, що кислотна обробка НТ може
суттєво впливати на їх термічну стійкість і ступінь руйнування. Дані ІЧ спектроскопії свідчать про суттєве зрос-
тання концентрації COOH і OH груп на поверхні НТ внаслідок кислотної обробки. Обговорюються особливості
змін в структурі і розмірі кластерів НТ, електрофізичній і перколяційній поведінці. Показано, що кислотна обробка
викликає значне зниження електропровідності суспензій і підсилення її температурних залежностей. Зроблено
висновок також про суттєве зменшення довжини НТ при кислотній обробці.
В даний час, поведінка вуглецевих нанотрубок (НТ) в різних системах викликає значний інтерес. НТ мають
ряд унікальних властивостей та проявляють інтригуючу транспортну поведінку. Зокрема, вони мають високу еле-
ктро- і теплопровідність. Крім того, НТ володіють критичною анизотропією форми і їх аспектне співвідношення, R,
(відношення довжини до діаметра) може досягати 103
-104
. В даний час вже запропоновано різні типи пристроїв,
розроблені на основі НТ (датчики, біосенсорів, приладів для зберігання інформації, наповнювачі іонних батарей, і
т.д.) [1-3]. Традиційно, нанокомпозити НТ на основі полімерів, рідких кристалів та інших дисперсних середовищ,
викликають великий інтерес [3-8]. Дуже важливими напрямками досліджень є також використання нанокомпозитів
в біології та медицині [2]. Для цих програм важливе використання біологічно безпечних дисперсійних середовищ,
наприклад, гліцерину, що може бути перспективним для підготовки нанонаповнених біомедичних композитів.
Основна проблема зі створенням функціональних нанокомпозитів, пов'язані зі стабільністю та відтворюваністю
властивостей таких систем. Як правило, якість диспергування вуглецевих НТ в більшості середовищ не достатньо
висока. НТ показують високу схильність до агрегації, і після приготування, композити можуть змінювати свої влас-
тивості з часом. Це велика проблема в застосуванні НТ в якості наповнювача. Метою цього дослідження було
вивчення властивостей суспензій окислених багатошарових вуглецевих нанотрубок (НТ) в гліцерині. Окислення
НТ було зроблено за допомогою суміші азотної (HNO3) і сірчаної (H2SO4) кислот. Порівняння отриманих НТ-
14. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
14
зразків проводили з використанням термічного аналізу та ІЧ-спектроскопії. Крім того, були досліджені мікрострук-
тура суспензій, їх електропровідність та перколяційні властивості.
В дослідженнях використовувалися багатошарові вуглецеві НТ отримані методом хімічного осадження гра-
фіту в газовій фазі з каталізатором FeAlMo0,07 (Спецмаш, Україна). У вихідному зразку NT0 нанотрубки мають
зовнішній діаметр d ≈ 20 – 40 нм, в той час як їх довжина l варіюється в інтервалі від 5 до 10 мкм.
За основу суспензії було обрано гліцерин, С3Н8О3 (ГОСТ 6259-75, ООО "Новохім" Харків, Україна), що має
молекулярну масу 92.09, точку плавлення 291.3 К, і густину 1.261 г/см3
(293 K). Перед використанням гліцерину з
нього видалялися домішки води шляхом витримування під вакуумом при температурі 363 К протягом 10 годин.
Для функціоналізації НТ використовувалася суміш азотної (HNO3) та сірчаної (H2SO4) кислот з об’ємним від-
ношення 1:3. Вихідний зразок нанотрубок NT0 масою 0.3 г. змішувався з 13.5 мл суміші кислот при температурі
T=343 K. Для підсилення диспергування колба з сумішшю під час кислотної обробки знаходилася в ультразвуко-
вій бані. Час кислотної обробки складав 5, 30 і 60 хвилин і відповідні зразки подалі позначені як NT5, NT30 і NT60.
Суспензії були приготовлені шляхом додавання відповідних кількостей НТ в гліцерин з подальшою обробкою цих
сумішей в ультразвуковому диспергаторі УЗДН-20/40 (УкрРосприлад, Суми, Україна) на частоті 44 кГц і вихідній
потужності 150 Вт на протязі 10 хв. Масова концентрація НТ в гліцерині, C, змінювалася в інтервалі 0-2 % мас. Всі
дослідження суспензій НТ починалися одразу після приготування зразків. Термічний аналіз зразків NT0, NT5, NT30
і NT60 проводили на дериватографі Q-1000 (MOM, Hungary), оснащеному комп’ютерною програмою збору та об-
робки інформації.
На рис. 1 показані температурні залежності приведеної маси m*
(a) і похідних -dm*
/dT (b) для зразків NT0,
NT5, NT30 і NT60. Добре видно, що кислотна обробка сильно впливає на термогравіметричну поведінку зразків.
Зменшення маси зразку NT0 починається при температурах порядку 800 К і це відбувається помітно раніше для
оксидованих зразків NT5, NT30 і NT60. Для цих зразків початок термічної деградації спостерігався в інтервалі від
450 K до 600 K, що може бути пов’язано з декарбоксилуванням поверхні НТ.
Рис. 1 Температурні залежності приведеної маси m
*
(a) і похідних -dm
*
/dT (b) для зразків NT0, NT5, NT30 і NT60
На рис. 2 дано порівняння мікрофотографій суспензії нанотрубок для зразків NT0 і NT5 для двох різних кон-
центрацій НТ у гліцерині С=0.2 % мас. (a) і С=0.5 % мас.(b). Візуальний аналіз показує, що кислотна обробка при-
зводить до більш сильного ущільнення структури агрегатів. Крім того, при С=0.5 % мас. для зразків NT0 спостері-
гається більш однорідна структура чим для зразків NT5 (рис. 2b).
Рис. 2. Порівняння мікрофотографій суспензії нанотрубок для зразків NT0 і NT5 для двох різних концентрацій НТ у гліцерині
С=0.2 % мас. (a) і С=0.5 % мас.(b). T=293 K.
На рис. 3a наведено приклади температурних залежностей електропровідності (T) суспензій гліцерину, на-
повнених нанотрубками зразка NT0 при різних концентраціях, C. Практично в усіх випадках додавання НТ до глі-
церину і підвищення температури призводило до підвищення електропровідності. Підсилення електропровідності
при збільшенні С зазвичай відбувалося на декілька порядків в порівнянні з чистим гліцерином (рис. 3a) і це відо-
бражало перколяційні процеси, що є типовими для різноманітних суспензій, що наповнені НТ.
Рис. 3. Приклади температурних залежностей електропровідності (T) суспензій гліцерину наповнених нанотрубками: a): зра-
зок NT0 при різних концентраціях C. (b) зразки NT0, NT5, NT30 і NT60 при сталій концентрації С=0.05 % мас.
На рис. 3b дано порівняння залежностей (T) для зразків NT0, NT5, NT30 і NT60 при сталій концентрації
С=0.05 % мас. Видно, що кислотна обробка призводила до значного падіння електропровідності суспензій і зміни
характеру температурних залежностей (T).
15. ФІЗИКА
«НАУКА XXI СТОРІЧЧЯ: СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ ФІЗИКИ»
15
Залежності енергій активації E від концентрації нанотрубок для зразків NТ0, NТ5, NТ30 і NТ60 представлені на
рис. 4. Вони характерні для механізму іонної провідності. Значення Е зменшується зі збільшенням C і значно
менше для вихідного зразка НТ, ніж для оброблених кислотою НТ (зразки NТ5, NТ30 і NТ60 Крім того, для вихідного
зразка NT0, величина E досягала дуже малих значень вище точки перколяції (> 10-2% мас) і падала до значення
E ≈ 0 кДж / моль при C ≈ 0.5% мас. Така поведінка Е (С) цілком типова для різних нанокомпозитів, наповнених НТ
[4,9].
Кислотна обробка вуглецевих нанотрубок може суттєво
впливати на термічну стійкість НТ. Для оксидованих зразків
початок термічної деградації спостерігається при помітно
менших температурах чим для вихідного зразка, що відобра-
жає присутність розупорядкованого або аморфного вуглецю
при кислотній руйнації НТ. Термогравіметричні дані свідчать
про збільшення ступеня руйнації НТ при збільшенні часу обро-
бки від 5 до 60 хв. При збільшенні ступеня кислотної обробки
спостерігаються також значні візуальні зміни в структурі і роз-
мірі кластерів НТ в суспензіях в гліцерині. Так середній розмір
кластерів зменшується при збільшенні часу обробки, і така
обробка може також суттєво впливати на мікроструктуру клас-
терів. Зокрема, спостерігається ущільнення кластерів і збіль-
шення їх фрактальної вимірності. В усіх випадках, як для нео-
броблених і кислотно-оброблених НТ, спостерігалася явно
виражена перколяційна поведінка електропровідності. Однак
кислотна обробка призводила до значного зниження електро-
провідності суспензій і значного підсилення температурних
залежностей . Для оброблених зразків НТ перколяційний
перехід спостерігався при концентрації НТ рівній 0.2 % мас.
,що було приблизно на порядок вище чим для вихідних НТ. Це відображало зменшення аспектного відношення
або довжини НТ при кислотній обробці. Таким чином, можна зробити висновок, що спостережувані ефекти для
кислотно-оброблених зразків можуть бути наслідком декількох факторів:
— поверхневої функціоналізації НТ,
— зменшення довжини, або аспектного відношення, внаслідок руйнування нанотрубок
— внесення дефектів в структуру НТ, спотворення якості графітованих структур і підсилення їх ступеня
аморфності.
Ці фактори можуть впливати на стабільність суспензій і спричиняти зміни в структурі кластерів, їх просторо-
вій організації, і таким чином впливати на електрофізичну і перколяційну поведінку. Вивчення впливу кислотної
обробки на стабільність суспензій НТ в гліцерині є цікавою проблемою, що вимагає більш детальних досліджень
в майбутньому.
[1] T. Hasan, Z. Sun, F. Wang, F. Bonaccorso, P.H. Tan, A.G. Rozhin, et al., Nanotube - polymer composites for ultrafast pho-
tonics, Advanced Materials. 21 (2009) 3874–3899.
[2] F. Valentini, M. Carbone, G. Palleschi, Carbon nanostructured materials for applications in nano-medicine, cultural heritage,
and electrochemical biosensors, Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (2013) 451–465.
[3] M. Endo, M.S. Strano, P.M. Ajayan, Potential applications of carbon nanotubes, Topics in Applied Physics. 111 (2008) 13–
62.
[4] L.N. Lisetski, S.S. Minenko, V. V Ponevchinsky, M.S. Soskin, A.I. Goncharuk, N.I. Lebovka, Microstructure and incubation
processes in composite liquid crystalline material (5CB) filled with multiwalled carbon nanotubes, Materials Science and Engineering
Technology/ Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik. 42 (2011) 5–14.
[5] S. Barrau, P. Demont, A. Peigney, C. Laurent, C. Lacabanne, D.C and A.C Conductivity of Carbon Nanotubes-Polyepoxy
Composites, Macromolecules. 36 (2003) 5187–5194.
[6] B.S. Harrison, A. Atala, Carbon nanotube applications for tissue engineering, Biomaterials. 28 (2007) 344–353.
[7] L. Dolgov, O. Kovalchuk, N. Lebovka, S. Tomylko, O. Yaroshchuk, Liquid Crystal Dispersions of Carbon Nanotubes: Dielec-
tric, Electro-Optical and Structural Peculiarities, in: J.M. Marulanda (Ed.), InTech, Vukovar, Croatia, 2010: pp. 451–484.
[8] S.R. Bhattarai, S. Aryal, N. Bhattarai, P. Han Hwang, et al., Carbon nanotube-hydroxyapatite nanocomposite for DNA com-
plexation, Materials Science and Engineering C. 28 (2008) 64–69.
[9] N. Lebovka, T. Dadakova, L. Lysetskiy, O. Melezhyk, G. Puchkovska, T. Gavrilko, et al., Phase transitions,intermolecular in-
teractions and electrical conductivity behavior in carbon multiwalled nanotubes/nematic liquid crystal composites, Journal of Molecular
Structure. 877 (2008) 135–143.
ДИНАМІЧНА ТЕОРІЯ РОЗСІЯННЯ У НЕКРИСТАЛІЧНИХ БАГАТОШАРОВИХ ОБ’ЄКТАХ ДОВІЛЬНОЇ ФОРМИ
Г. О. Веліховський
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет
В роботі побудована теоретична модель динамічного розсіяння і формування зображень некристалічних ба-
гатошарових об’єктів довільної форми з урахуванням ефектів дисперсійної структурної чутливості (зокрема, ефе-
ктів рефракції, зміни фази, поглинання заломленої хвилі та селективного за кутом рефракції динамічного відби-
вання променів в аналізаторі). На основі дисперсійного механізму формування зображення встановлено зв’язок
між картиною розсіяння випромінення і геометричними параметрами та внутрішньою структурою некристалічних
багатошарових об’єктів довільної форми. Показана можливість істотного підвищення інформативності медичної
діагностики на основі застосування створеної моделі.
Рис. 4. Приклади температурних залежностей елект-
ропровідності (T) суспензій гліцерину наповнених
нанотрубками: a): зразок NT0 при різних концентраці-
ях C. (b) зразки NT0, NT5, NT30 і NT60 при сталій кон-
центрації С=0.05 % мас.
