Сквозные нанопористые структуры из оксида алюминия для информационных технологий мембранной биологии
(реферат)
Искусственно созданные плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) представляют собой универсальную платформу как для изучения функций различных биологических мембран[1-4], так и для разработки биосенсоров [5]. Одним из перспективных направлений решения проблемы формирования плоских БЛМ является использование калиброванных отверстий в гидрофобных материалах типа фторопласта [4]. Однако данный метод достаточно трудоемок в выборе режимов и условий формирования мембран, требует определенной квалификации проведения исследований на сформированной мембране и во многих случаях ограничен временем жизни сформированных мембран. По этой причине в мире ведется интенсивный поиск методов, позволяющих повысить время жизни сформированной мембраны [7,8], которые откроют значительно более широкие функциональные возможности данной платформы в области изучения функций биологических мембран и при создании биосенсоров. Исследование упругих и неупругих характеристик неравновесных кристаллов с различным типом химической связи (ковалентных, металлических, ионных), показало наличие существенного температураного и амплитудного гистерезиса эффективного (динамического) модуля сдвига (Gef ) и внутреннего трения (ВТ) [1,2]. Если кристаллы претерпевали полиморфные превращения или распад пересыщенных твердых растворов, были облученны высокоэнергетическими частицами или находились под воздействием внешних полей, способствующих структурным превращениям, то в спектрах поглощения упругой энергии, а также в поведении эффективных модулей упругости наблюдали существенное несовпадение исследуемых величин, измеряемых при нагревании и охлаждении материала. При этом обнаруживали гистерзисы разных типов: прямой и обратный, обратимый и необратимый, в зависимости от типа и характера структурных превращений, происходящих в кристалле. Для изучения природы обнаруженых гистерезисов мы использовали методику температурно-кинетических срезов ВТ и Gef , показавшую высокую чувствительность к изменениям в структуре на атомном уровне, что особенно важно при низких температурах, когда подвижность атомов вещества существенно ограничена. Анализ кинетических зависимостей проводили в рамках известных кинетических моделей Хема, Аврами, Курдюмова [3].
Результаты исследования вкратце можно свести к следующему:
·Изучение кинетики низкочастотного ВТ и Gef в монокристаллах кремния, выращенного по методу Чохральского, при различных температурах в интервале 100 – 400о С позволило установить, что процесс распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии протекает даже при таких низких для кремния температурах, причем до 270 о С новая фаза выделяется в виде пленок, а при повышении температуры выдержек до 400о С, выделения становятся дископодобными, о чем свидетельствует величина показателя степени n в модели Хема. (см. рис.1).
·Для подтверждения правильности подобных выводов, нами были проведены рентгедифракционные исследования состаренных кристаллов кремния.Изучали поведение кривых дифракционного отражения и анализировали полную интегральную отражающую способность (ПИОС) рентгеновских лучей на кристаллах состаренного монокристаллического Cz-кремния. Моделированне ПИОС в приближении трех доминирующих типов дефектов (дископодобных преципитатов, дислокационных петель и мелких сферических преципитатов кислорода, являющихся генетическими дефектами для Cz-Si) позволило нам получить неплохое (расходжение не превышало 1 %) совпадение расчетных и экспериментальных кривых.
Возможно вы искали - Реферат: Склокерамічні матеріали на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник
·Анализ кинетических зависимостей позволил установить также, что рост кислородных преципитатов в кристаллах кремния при низких температурах приводит к инверсии температурного гистерезиса Gef – он из обратного, при котором кривые нагревания проходили ниже кривых охладжения, превращается в прямой гистерезис модуля, характерный для фазовых превращений первого рода. Этот экспериментальный факт позволяет предположить, что обратный гистерезис в монокристаллах кремния инициируется напряжениями, возникающими в решетке кремния за счет областей с повышенной концентрацией кислорода, генетически присущих этому материалу. Выпадение кислородных преципитатов приводит к понижению уровня напряжений в кристалле как за счет появления обособленных границ раздела, так и за счет образования дислокационных петель, что и приводит, по-видимому, к инверсии динамического модуля сдвига.
·
Рис.1 Кинетические зависимости ВТ (Q-1 ) состаренного Cz-Si, измеренные в течение 1 часа при 400 о С, в координатах Хема.
·Исследование кинетических зависимостей ВТ и Gef в конденсате Ве в интервале 20- 400о С позволило также установить, что необычный, обратимый гистерезис эффективного модуля сдвига в этом материале связан с протеканием в нем термоупругих мартенситных превращений. По кинетическим зависимостям Gef , проанализированным в рамках кинетической модели Курдюмова Г.В. и Максимовой П.А. [3], нам удалось оценить размеры кристаллов мартенситной фазы, возникающих в процессе превращения, которые неплохо согласуются с результатами металлографических исследований.
Похожий материал - Дипломная работа: Собственные колебания пластин
Таким образом, в работе показана высокая эффективность методики температурно-кинетических срезов низкочастотного ВТ и Gef для решения материаловедческих задач в неравновесных кристаллах.
В этом отношении нанопористый оксид алюминия и его электрофизические свойства представляют огромный интерес и открывают широкие перспективы при решении рассматриваемых проблем. Нанопористый оксид алюминия является достаточно хорошим диэлектриком, который по диэлектрическим свойствам сопоставим с немодифицированными бислойными мембранами. Сквозная нанопористая структура заданных размеров дает возможность создавать на ней плоские БЛМ с достаточно долгим временем жизни, что позволяет изучать механизмы переноса заряда через мембрану при различных условиях ее формирования и различных типах среды окружения. Кроме этого, открываются возможности формирования тонкопленочных моно-, би- и многослойных наноструктур для биосенсоров, привлекая для этого возможности ЛБ-технологий.
Целью данной работы является отработка технологии создания матричной платформы на основе сквозных нанопористых структур из оксида алюминия, которые предполагается использовать при изучении функций различных биологических мембран и при создании различного типа биосенсоров.
Материалы и методы исследования
При создании матричных платформ из ПАОА было использовано техническое оснащение и производственная база микроэлектроники. Пленки ПАОА толщиной от 500 нм были сформированы на алюминиевой фольге (99.99 %). Перед анодированием алюминиевая фольга прокатывалась и электрохимически полировалась в смеси этилового спирта и хлорной кислоты до зеркальной поверхности. Анодирование проводили в специальной ячейке в гальваностатическом и потенциостатическом режимах в растворах щавелевой кислоты при температуре 7…10°С в две стадии. Травление оксида, после первого анодирования, проводили при температуре 60°С в растворе, содержащем: 160 г. хромового ангидрида, 270 мл ортофосфорной кислоты и 1000 мл воды. Создание матричных платформ из ПАОА было выполнено на основе комбинациии двух технологий. Первая основана на локальном окислении и последующем травлении непрореагировавшего алюминия, вторая - на анизотропном травлении пористого оксида алюминия. При проведении процессов фотолитографии на ПАОА для исключения попадания фоторезиста в глубину пор, что влияет на получение ровного края при проявлении и последующее удаление фоторезиста, использовали молибденовую защитную маску, которую наносили методом вакуумного напыления. Пленки ПАОА отделяли от алюминиевой фольги в растворах на основе соляной кислоты с добавлением хлористой меди. Для получения сквозных мембран АОА растворение барьерного слоя проводилось ступенчатым понижением напряжения анодирования на 5-10% в электролите анодирования с зачисткой поверхности вакуумными методами с использованием аргона. Исследование структуры пленок ПАОА проводили на атомном силовом микроскопе фирмы Digital Instruments NanoScope. Исследование электрофизических свойств созданных матричных платформ осуществляли с помощью прибора Е7-12 с усовершенствованным входным модулем, в котором для измерения сквозной проводимости использовали жидкостные электроды на основе 0,15М раствора КСl.
Очень интересно - Дипломная работа: Совершенствование технологии химической водоочистки на Балаковской атомной электростанции с использованием полимерных ионообменных материалов
Обсуждение результатов
Используя 0,3М раствор щавелевой кислоты, двухстадийный потенциостатический режим анодирования при температуре 7…10°С были получены экспериментальные образцы матричных платформ с упорядоченной структурой сквозной пористости, общий вид которых приведен на рисунке 1а, а АСМ - изображение поперечного сечения пористой структуры Аl2 O3 в области сквозной пористости – на рисунке 1б.
Фронтальная поверхность и поверхность со стороны стравленного барьерного слоя сформированной матричной платформы в области сквозной пористости представлены на АСМ-изображении рисунка 2а.
а) б)
Вам будет интересно - Дипломная работа: Совершенствование электрификации МТФУХ "Кокино"
Рисунок 2 - Общий вид матричных платформ (а) и АСМ-изображение поперечного сечения пористой структуры Аl2 O3 в области сквозной пористости(б)
На рисунке 2б показано трехмерное АСМ-изображение фронтальной поверхности сквозной области матричной платформы, полученное при более высоком разрешении. Были изучены электрофизические параметры созданных матричных структур на предмет получения необходимых метрологических характеристик, пригодных для использования в методах изучения функций биологических мембран и при создании различного типа биосенсоров. Результаты полученных исследований показывают, что при разомкнутых и замкнутых электродах измерительной системы исходные значения емкости и проводимости составляют С=4,9 пФ, G=4,1 μS и С=6,4пФ, G=33,9 μS соответственно. При контакте в области сквозной пористости матричной платформы данные параметры имеют значения С=6,46 пФ, G=33,2 μS, а в области не сквозной пористости данные параметры находятся в пределах С=5,09 пФ, G=3,9 μS.
Из полученных результатов следует, что созданные матричные платформы на основе ПАОА могут быть использованы при измерении электрофизических свойств модельных мембран и нанокомпозитных структур на основе тонких ЛБ-пленок, поскольку, как видно из приведенных результатов, проводимость в области сквозной пористости соответствует параметрам проводимости замкнутых контактов, а в других областях матричной платформы- параметрам разомкнутых контактов измерительной системы.
|
|
а) б)
Рисунок 3 - АСМ-изображение фронтальной поверхности (1а), барьерного слоя (2а) и трехмерное АСМ-изображение фронтальной поверхности (б) сквозной области матричной платформы
Похожий материал - Дипломная работа: Совершенствование электротехнической службы Бердюжского РЭС ОАО "Тюменьэнерго"
Как показали многочисленные исследования последних лет, физико-химические свойства наноразмерных структур отличаются как от свойств отдельных атомов и молекул, так и от свойств массивных тел состоящих из огромного числа атомов или молекул. Установление закономерностей объединения атомов и молекул в нано-размерные кластеры, комплексы и агрегаты и умение контролировать условия такого объединения позволят сформировать большое количество новых наноструктур с наперед заданными свойствами.
Поиск методов получения новых материалов с наперед заданными свойствами требует знания процессов, происходящих внутри отдельных нано-размерных кластеров при изменении внешних, как физических так химических, условий. Проследить малейшие изменения в структуре таких ансамблей возможно оптическими методами, что делает актуальным изучение их оптических и спектроскопических свойств. Методами колебательной спектроскопии изучены процессы образования нанокластеров перхлоратных соединений шестивалентного урана с рядом органических лигандов (диметиформамид ДМФА, диметилсульфоксид ДМСО) при механохимическом активировании процессов лигандного обмена. Выбор указанных реагентов обусловлен с одной стороны тем фактом, что ион перхлората, как ацидолиганд, является одним из самых слабых лигандов и в процессе лигандного замещения можно будет создавать первую координационную сферу катиона состоящую только из нейтральных лигандов. С другой стороны, донорная способность DN (по Гутману) растворителей ДМФА (DN =26,6) и ДМСО (DN=29,8) значительно больше, чем у воды (DN=18), и они эффективно могут замещать молекулы воды.
Химическая формула перхлорат уранила имеет следущий вид UO2 (ClO4 )2 ×5H2 O. Кристалл состоит из уранильной группы UO2 2+ и пяти молекул воды, входящих во внутреннюю координационную сферу, и двух ионов ClO4 во внешней координационной сфере. В катионе [UO2 (OH2 )5 ]2+ атом урана имеет пентоганально-бипирамидальную координацию. Средняя длина экваториальной связи U-O(воды) = 2,45 А , аксиальной U-O(уранила) = 1,71 А. Динамику замещения первой координационной сферы иона уранила анализировали на основании изменения положения полосы антисимметричного колебания уранильной группировки и если это было возможно изменения оптической плотности полосы деформационного колебания молекулы воды. ИК-спектры изучаемого вещества получали используя cпектрофотометр “SPECORD IR 75”. При приготовлении образцов компоненты смешивались в ступке в течение 45- 60 минут.
При замещении молекулы воды на молекулу нейтрального лиганда (ДМФА, ДМСО) происходит, вследствие большей донорной способности последнего, а следовательно и большего отрицательного заряда переносимого на уран, ослабевание связи U-O в уранильной группе, что в свою очередь приводит к уменьшению частоты антисимметричных колебаний этой группы. Чем больше молекул воды замещается, тем больше смещение этой полосы в область длинноволновых колебаний. Таки образом наблюдая за смещением, расщеплением и шириной данной полосы при увеличении концентрации нейтрального лиганда в образце, мы можем качественно описать комплексный состав изучаемого образца.