2023

По спектрам комбинационного рассеяния света (КРС), измеренным в широком температурном диапазоне, определена температурная зависимость интенсивности LAM мод суспензий фосфолипидных везикул DPPC; из сравнения с поведением интенсивности линии СС для all-trans конформаций углеводородных хвостов сделан вывод о наличии степеней свободы, высвобождение которых на температурах выше 250 К подавляет LAM-моды, но не влияет на СС-stretch моды. Используя метод КРС и дейтерирования определена тройная диаграмма POPC-DPPC-Chol с точки зрения эффектов для конформационных состояний. Ширина и частота пика рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) в стеклующемся салоле охарактеризованы в широком температурном диапазоне и показано, что взаимосвязь продольной и ориентационной релаксации немонотонна и требует дальнейшего теоретического анализа. С помощью спектроскопии КРС был впервые исследован фазовый переход липидов в ооцитах свиньи. Было сделано открытие о том, что после фазового перехода упорядоченные фазы не плавятся даже при температурах культивирования. Методика микроскопического КРС позволила измерить спектры КРС от разных частей сперматозоидов домашней кошки в диапазоне температур от -20 до 20 °С и показать, что липидный фазовый переход в сперматозоидах является размытым. Оптимизированы чувствительность и пространственное разрешение стенда КРС с возбуждением 780 нм с использованием Rb ячейки в качестве нотч фильтра. Методами КРС и сигнала ГВГ охарактеризован дипольный момент и механические напряжения микронных пленок SBN-0.5 и определена роль механических напряжений в их фазовом состоянии. Показано, что пирокоэффициент пленок SBN в номинально параэлектрической фазе определяется локальными полярными областями. Методы ГВГ, КРС и численных методов применены для характеризации нелинейных кристаллов и перспективных кристаллических материалов: состояния воды кордеритов, покрытия никелида титана после плазменной обработки, щелочных поливольфраматов и индий-серебряных селенитов.

2022

С использованием методов оптической спектроскопии были получены значимые результаты для ряда задач материаловедения, химической и биологической физики:

Измерены низкочастотные спектры КРС фосфолипидных мембран DОPC в температурном диапазоне 200-316 К, сделан вывод о слабом эффекте ненасыщенности и температуры на проявление слоевого пика и широкой полосы, отражающей вклад акустических фононов. Продемонстрировано, что методом РМБ возможно определение сосуществования доменов разных фаз в многокомпонентных фосфолипидных мембранах. Методом РМБ определена добротность 10 ГГц акустических фононов стеклующегося дибутилфталата. Сделан вывод, что аномалия в районе 160 К связана с перераспределением времен релаксаций. Получена температурная зависимость коэффициента диффузии в многослойных планарных мембранах насыщенного (DPPC) и ненасыщенного (DOPC) фосфолипидов методом восстановления флюоресценции после обесцвечивания. Решена задача определения связи пространственных флуктуаций упругих констант на нанометровом масштабе с параметрами бозонного пика в стеклах, показана перспективность рассмотрения ионных жидкостей как стеклующихся материалов.

Методом спектроскопии КРС были определены степень ненасыщенности и температура фазового перехода в эмбрионах домашней кошки и мыши после культивирования со стеариновой кислотой. Показано, что для эмбрионов обоих видов добавление стеариновой кислоты приводит к значительному увеличению температуры фазового перехода. Для эмбрионов мыши со степенью ненасыщенности, соответствующей I(С=С)/I(sCH) ≤ 0.11, часть липидов оказывается в упорядоченном конформационном состоянии уже при температуре культивирования. Увеличение доли липидов в упорядоченном конформационном состоянии коррелирует со снижением способности эмбрионов к развитию in vitro. Температурные измерения КРС от фракций лизата стволовых клеток показали, что фракции разной плотности претерпевают фазовый переход при разных температурах. Таким образом, было продемонстрировано, что общепринятое сопоставление определенного типа клеток и одной температуры липидного фазового перехода не является корректным.

Для пленок SBN субмикронных толщин определена эволюция дипольного момента по сигналу генерации второй гармоники, а по спектру КРС охарактеризован фазовый переход. Показано, что особенности подложки, на которую нанесена пленка, существенно влияют на механические напряжения в пленке, приводящие как к сдвигу температуры перехода, так и к понижению симметрии кристаллической решетки пленки при температурах выше фазового перехода. Развитые методы характеризации нелинейных свойств кристаллов с применением сигнала генерации второй гармоники были использованы в совместных работах нашей научной группы при исследовании новых нелинейных кристаллов Rb₃SmB₆O₁₂. Метод КРС был применен к характеризации кристалла Pr₂(SO₄)₃, выращенного методом преципитации, данные КРС сравнивались с результатами численного расчета. Получены и проанализированы низкочастотные спектры КРС полуорганического кристалла GUHP для различных поляризационных условий; показано наличие терагерцовых фононных мод и их связь с диэлектрическим откликом, определяющим терагерцовую генерацию. Развита спектроскопия низкочастотных мод для полупроводниковых платилеток. Развиты и применены методы Монте-Карло для описания упорядочения электрических диполей воды в кристаллических порах. С использованием метода КРС нами было показано, что углеродные пористые материалы, полученные из сырья на основе биомассы, более разупорядочены, чем материалы, полученные из торфа, и имеют более высокое содержание карбонильных групп, чем материалы на основе минерального сырья. Метод КРС позволил определить фазовое состояние фосфора внутри одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), который оказался волокнистым красным фосфором.

2015

Исследование спектров деполяризованного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в стеклующихся жидкостях

(Отв.исп. – д.ф.м.-н. Суровцев Н.В.)

Исследование вкладов быстрой релаксации при Т_А в салоле, пиколине, орто-терфениле, дибутилфталате и толуоле показало, что этот вклад существенно варьируется от материала к материалу.

За счет воды расширен «ассортимент» материалов, в которых наблюдается переход от аррениусовского к неаррениусовскому поведению для t_a(T), связанному с образованием нанометровых неоднородностей. Была исследована численная модель воды в диапазоне температур 240-340 К, которая хорошо воспроизводит экспериментальные данные по вязкости ( см. рис.). Деривативный анализ поведения вязкости обнаруживает смену высокотемпературного поведения, описываемого термоактивационным законом, на более резкое, неаррениусовское поведение. Переход от одного режима к другому происходит при Т ~ 273 ± 7 К. Анализ структур моделей воды показал, что с понижением температуры увеличивается число молекул воды, вовлеченных в группировки с числом молекул более 20 и объединенных сильной водородной связью (по сравнению со средней по образцу). 

Температурная зависимость вязкости воды. Треугольниками и квадратами изображены экспериментальные данные, кружками - результаты численного моделирования, полученные авторами;  (б) Температурная зависимость для вязкости воды.

Определена температурная зависимость времени выцветания цитохрома в замораживаемых дрожжевых клетках. В этих исследованиях лазерное излучение на длине волны 532 нм одновременно служило и накачкой для комбинационного рассеяния света (КРС) и производило окисление цитохромов, вовлеченных в работу электронно-транспортной цепи. В результате происходило фотовыцветание линий резонансного КРС от неокисленного цитохрома. Скорость убывания неокисленного цитохрома определяется двумя факторами: скоростью фотоиндуцированных реакций и скоростью темновых процессов, пытающихся восстановить естественный баланс. Из анализа зависимости времени фотоокисления от мощности лазерного излучения и от температуры были получены температурные зависимости для скорости реакций как темновой, так и фотоиндуцированной. Показано, что температурная зависимость темновой реакции, вовлеченной в окислительно-восстановительный баланс, имеет резкую температурную зависимость и может быть описана термоактивационным законом с величиной барьера 32.5 кДж/мол.

Изучены низкочастотные спектры КРС в нанокомпозитах на основе порошков титаната бария, приготовленных в условиях высокого давления (до 40 кбар). Показано, что в отличие от монокристаллического титаната бария, в котором низкочастотные спектры могут быть описаны в приближении одного времени релаксации, прессованный композит показывает широкое распределение времен релаксации. Численно это распределение может быть охарактеризовано значением параметра a – показателем степени в выражении I_r(w) µ w^a, описывающем низкочастотную часть спектра в представлении восприимчивости. a = 1 соответствует одному времени релаксации, а a < 1 некоторому распределению времен релаксации, которое тем шире, чем меньше a. Поведение a(Т) в прессованных композитах титаната бария оказалось аналогичным поведению a(Т) в сегнетоэлектрических релаксорах (например, в магнониобате свинца Pb₃(MgNb₂)O₉, PMN). Полученные результаты были объяснены созданием локальных полей (электрических и механических) в композитах титаната бария в результате обработки высоким давлением. Эти поля играют ту же роль, что полярные неоднородности в сегнетоэлектрических релаксорах. Присутствие полярных неоднородностей может быть обнаружено в экспериментах по генерации второй гармоники. Результаты такого эксперимента показаны на Рис. как для монокристалла, порошка и прессованного композита титаната бария, так и для классического сегнетоэлектрического релаксора PMN. На нижней части рисунка представлены данные по генерации второй гармоники в представлении производной, визуализирующей фазовый переход. Видно, что именно приложенные давления к порошку титаната бария приводят к размытию сегнетоэлектрического фазового перехода и превращают его в аналог сегнетоэлектрического релаксора.

Температурная зависимость сигнала ГВГ, I_2w, для монокристалла (линия), порошка (треугольники) и прессованного композита (кружки) титаната бария и кристалла PMN (звездочки). б). Температурная зависимость производной для этих же материалов.

2014

Программа II.10.2.Фундаментальные проблемы взаимодействия лазерного излучения с однородными и структурированными средами (координатор ак. А.М. Шалагин).

Проект II.10.2.5. Исследование организации и функциональных свойств наноструктурированных сред оптическими методами (руководитель проф. В.К. Малиновский).

Исследование самоорганизующихся на нанометровом масштабе веществ методом комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники (Отв.исп. – д.ф.м.-н. Суровцев Н.В.)

Детально исследовано поведение альфа-релаксации в трех органических молекулярных стеклующихся веществах: салоле, орто-терфениле и альфа-пиколине. Традиционные методики (дифракция рентгеновских лучей, дифракция нейтронов) не обнаруживают каких-либо изменений в структурных особенностях  стеклующегося материала в жидкой фазе.  Для их обнаружения в  наших экспериментах были использованы методы релеевского рассеяния света.

Из экспериментальных спектров деполяризованного рассеяния света определялось значение времени релаксации ta(T). Наши данные по ta(T) свидетельствуют, что вблизи температуры перехода от аррениусовского к неаррениусовскому поведению характер температурной зависимости ta(T) близок к фазовому переходу второго рода. Мы предложили связать это явление с возникновением локальных динамических кластеров при охлаждении стеклующегося материала ниже температуры перехода от аррениусовского к неаррениусовскому поведению ta(T).

Разработана и реализована методика определения массы ДНК клеток крови. Эта методика основана на измерении и анализе спектров комбинационного рассеяния света ядер клеток и позволяет  избежать проблем, связанных с  неоднородностью  специфического связывания меток в распространенных традиционных методиках. Количественный анализ вклада ядерного ДНК был проведен по интенсивности фосфатной моды около 1096 см-1. При сравнении с известными стандартами массы ДНК животных было показано, что предлагаемый метод имеет погрешность не выше 10 %, и может быть улучшен при соответствующей модернизации установки.

Изучены спектры КРС синтетических клеточных мембран из насыщенного (DPPC) и ненасыщенного (POPC) липидных слоев как функция температуры (25-320 К). Получен ответ на вопрос – как влияет добавление холестерина на температурную зависимость мод, отражающих конформационное состояние ацильной цепи (С-С колебание), и на интенсивность ассимметричной растягивающей СН2 моды, которая чувствительна к межцепочечному взаимодействию. Введение холестерина не оказывает влияния на поведение мембраны,  состоящей из насыщенного липида, а в случае мембраны из ненасыщенного липида влияет на межцепочечное взаимодействие липидных цепей, делая его похожим  на случай насыщенного липида. Полученный результат объясняется наличием дырок свободного объема в случае РОРС, возникающих из-за невозможности плотной упаковки ацильной цепи с изгибом, созданным наличием двойной связи.

2013 

Программа II.10.2. Фундаментальные проблемы взаимодействия лазерного излучения с однородными и структурированными средами (координатор ак. А.М. Шалагин).

Проект II.10.2.5. Исследование организации и функциональных свойств наноструктурированных сред оптическими методами (руководитель проф. В.К. Малиновский).

Исследование самоорганизующихся на нанометровом масштабе веществ методом комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники (Отв.исп. – д.ф.м.-н. Суровцев Н.В.)

Методом КРС впервые показано, что структура стеклующейся жидкости о-толуидина изменяется в трех характерных точках: при Т_А (температура перехода от термоактивационного к неаррениусовскому поведению), при Т_С (температура перехода в рамках теории связанных мод, где предполагается формирование локального окружения на нанометровой шкале масштабов) и температуре стеклования Т_g. Результат интерпретирован как следствие образования нанометровых неоднородностей в стеклующейся жидкости. Описание структурирования стеклующихся жидкостей в маловязком состоянии важно для описания  процесса стеклования и предсказания стеклообразующей способности материалов.

Программа междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН

Проект 108. “Нетрадиционные способы введения лекарственных веществ в организм и физические методы модифицирования их свойств.” (Координатор ак. В.В. Болдырев).

Блок ИАиЭ СО РАН. (Отв.исп. – д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев)

Впервые методом КРС были изучены вопросы: различаются ли структурные единицы растворы глицина, полученные при  растворении кристаллических фаз альфа- и гамма-глицина и изменяются ли спектры КРС в зависимости от времени после приготовления раствора. Получено, что характеристики растворов альфа- и гамма-глицина (концентрация мономеров и димеров) являются идентичными, и после полного растворения глицина не изменяются со временем на масштабах часов и дней.

Программа междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН

Проект 31. Экспериментальное моделирование минералообразующих процессов с участием углерода в литосферной мантии. (Координатор д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянов).

Блок ИАиЭ СО РАН. (Отв.исп. – д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев)

Проведено исследование спектров комбинационного рассеяния света в графитоподобных образцах, образующихся при высоких Р,Т параметрах, моделирующих минералообразующие процессы с участием углерода в литосферной мантии. В измеренных спектрах комбинационного рассеяния света (КРС) наблюдаются моды D, G, D’, G’. По измеренным спектрам определено отношение DиG мод (R= I_D/I_G). Полученные данные использованы для оценки размера кристаллитов в исследованных образцах.

Программа партнерских интеграционных проектов СО РАН

Проект 18. Стеклообразование и кристаллизация во фторидных и оксифторидных системах, формирование функциональных свойств  кристаллов и стекол на их основе (Координатор д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев).

Впервые детально изучено низкочастотное КРС в парадигмальном фторидном стекле ZBLAN. Установлено, что свойства быстрой релаксации можно описать как моделью  двухямных потенциаловс экспоненциальным распределением высот барьеров, так   и моделью, учитывающей ангармонизм колебаний. Нами показано, что оценка индекса фрагильности для стекла ZBLAN по данным вязкости расходится с оценкой из измерения теплоемкости вблизи температуры стеклования («термодинамический» индекс фрагильности). Предложена гипотеза, согласно которой «термодинамический» индекс фрагильности отвечает за упругие свойства материала на нанометром масштабе (бозонный пик), а «вязкостный» индекс фрагильности отвечает за свойства быстрой релаксации.

Программа Президиума РАН:Вещество при высоких плотностях энергиии (координаторы: ак. В.Е. Фортов, ак. С.М. Стишов).

Секция: Вещество в условиях высокого статического сжатия (координатор ак. С.М. Стишов).

Проект: Влияние состава среды кристаллизации на процессы роста и свойства кристаллов алмаза (координаторы: ак. Н.В. Соболев, д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянов).

Блок ИАиЭ СО РАН. (Отв.исп. – проф. В.К. Малиновский)

Проведено детальное исследование формы линии комбинационного рассеяния света в алмазе как функции температуры. Чтобы правильно описать эту температурную зависимость необходимо учесть поправки четвертой степени к эффективному потенциалу колебания,. Показано, что учет этой поправки в виде распада оптического фонона на три акустических с равной частотой позволяет описать температурную зависимость ширины линии КРС алмаза в диапазоне до 1000 К (см. рисунок).

Температурная зависимость однородной ширины КР-линии (символы), красная линия – уширение за счет трехфононного взаимодействия, а зеленая линия – описание теоретическим выражением, соответствующим четырехфононному взаимодействию.

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 8: Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов (координатор: ак. В.А. Тартаковский).

Проект: Исследование новых фторидных и оксифторидных кристаллов и стекол (координатор: д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев).

Синтезирована серия барий-ниобатных оксифторидных стекол: 20MnNbOF₅-xBaF₂-(100-x)BiF₂. На оксифторидных стеклах проведены измерения теплоемкости методом дифференциальной сканирующей калориметрии, определены температуры стеклования и кристаллизации. Рассчитан параметр стабильности стекол. Анализ позиции максимума бозонного пика (см. рисунок) показал, что с ростом концентрации фторида бария уменьшается характерный размер нанометровых неоднородностей.

Программа фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН II.5:Физика новых материалов и структур (координатор: чл.-корр. В.В. Кведер).

Проект II.5.3: Синтез и исследование микро- и нанокристаллической сегнетоэлектрической керамики на основе титаната бария (координатор: проф. В.К. Малиновский).

Исследованы спектры низкочастотного комбинационного рассеяния света (КРС) в монокристалле титаната бария при температурах от комнатной до 800 К. Показано, что в этих спектрах наблюдается центральный пик, ширина которого демонстрирует так называемое «критическое замедление» вблизи температуры сегнетоэлектрического перехода. Спектральная форма центрального пика при этом хорошо описывается приближением одного времени релаксации.

Программа междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН. Проект 128. «Системы с отрицательным коэффициентом преломления и оптическим резонансным туннелированием для сверхбыстрого управления ТГц и ИК излучением» (Координатор д.ф.-м.н. В.Я. Принц, отв.исп. ИАиЭ – д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев).

Изучен плазмонный резонанс в новых метаматериалах на основе золотых наноструктур по положению поверхостного плазмона в спектре поглощения. Показано, что метаматериалы, синтезированные и ИФП СО РАН, обладают высокой степенью анизотропии поглощения для пика плазмонного резонанса, что определяется анизотропией структуры материала. При исследовании низкочастотных спектров комбинационного рассеяния света пленки наночастиц серебра было показано, что распределение интенсивности спектра отражает распределение кластеров по размерам.

Программа междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН. Проект 108. “Нетрадиционные способы введения лекарственных веществ в организм и физические методы модифицирования их свойств” (Координатор ак. В.В. Болдырев, отв.исп. ИАиЭ – д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев).

Изменения в колебательных спектрах лекарственных средств в порошковом (нифедипин, сальбутамол) и растворенном состоянии (глицерин) в зависимости от способа обработки, температуры и процессов кристаллизации были изучены методом комбинационного рассеяния света. Из анализа спектров рассеяния света водного раствора глицина была получена оценка числа молекул воды (около 20), которые испытывают воздействие молекулы глицина. Это воздействие на молекулы воды приводит к изменению их динамического отклика (время реориентации увеличивается в 5-6 раз). При этом частоты валентных связей изменяются незначительно (эффективное гидратационное число составляет 2), что соответствует слабому искажению сетки водородных связей.

Программа междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН. Проект 31. «Экспериментальное моделирование минералообразующих процессов с участием углерода в литосферной мантии» (Координатор д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянов. отв.исп. ИАиЭ – д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев).

Для характеризации углеродсодержащих и алмазоподобных образцов, образующихся при высоких Р,Т параметрах при экспериментальном моделировании минералообразующих процессов с участием углерода, была использована методика комбинационного рассеяния света. По отношению интенсивностей D и G мод был оценен размер кристаллитов в исследуемых образцах. Сделан вывод о том, что в образцах углеродной сажи с более высокой концентрацией воды увеличивается доля sp₂ гибридизации.

Программа партнерских интеграционных проектов СО РАН. Проект 18. «Стеклообразование и кристаллизация во фторидных и оксифторидных системах, формирование функциональных свойств кристаллов и стекол на их основе» (Координатор: д.ф.-м.н. Н.В. Суровцев).

Исследованы свойства нескольких серий новых фторидных и оксифторидных стекол методами спектроскопии комбинационного рассеянного света (КРС), рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и дифференциальной сканирующей калориметрии. Определены основные стеклообразующие полиэдры и их вклад в интенсивность бозонного пика. Показано, что вклад быстрой релаксации коррелирует с термической устойчивостью стекла – чем ниже этот вклад, тем выше устойчивость стекла. В то же время анализ упругих свойств новых фторидных стекол показал, коэффициент Пуассона предсказывает более низкое значение индекса фрагильности, чем ожидаемое для фторидных стекол. На примере известного фторидного стекла ZBLAN удалось показать, что основные спектральные характеристики многокомпонентных фторидных стекол аналогичны характеристикам однокомпонентных стекол различной природы. Отличие многокомпонентных фторидных стекол проявилось в сравнении интенсивности быстрой релаксации, бозонного пика и коэффициента Пуассона с индексом фрагильности. Предложена интерпретация полученных результатов на базе неэквивалентности термодинамического и кинетического индексов фрагильности.

2012

Исследование спектроскопических проявлений взаимодействия излучения с наноструктурированными материалами (гигантское комбинационное рассеяние света, диэлектрическая спектроскопия, сенсорные свойства)

1. Исследование образования «мгновенных» неоднородностей в стеклующихся материалах методом комбинационного рассеяния света.

Показано, что при температурах T_C и Т_А в стеклующихся жидкостях образуются нанометровые кластеры. Их появление  изменяет распределение интенсивностей и частот  колебаний водородных связей.

2. Исследование проявления полярных нанообластей  в парафазе сегнетоэлектриков методом генерации второй гармоники.

В широком температурном диапазоне вплоть до 1000 К при помощи прецизионного измерения сигнала второй оптической гармоники обнаружено существование локальных полярных областей в кубической параэлектрической фазе в кристаллах, порошке и керамике  титаната бария (ВТ).

3. Релаксационная динамика, кооперативность и динамическая неоднородность в переохлажденных жидкостях на различных пространственных и временных масштабах.

Обнаружено, что температурная зависимость времени релаксации ионных жидкостей хорошо описывается законом Фогеля-Фулчера-Таммана во всем температурном интервале от температуры стеклования до температур выше температуры плавления. Мы предположили, что эти явления связаны и являются следствием сильных и направленных межмолекулярных взаимодействий,  характерных для низкотемпературных ионных жидкостей.

2004-2010 гг.

Исследование динамического перехода в модельных синтетических мембранах

Возможности метода комбинационного рассеяния использованы для исследования динамики биологических молекул с целью определения сходства и отличий динамического перехода в биосистемах от стеклования органических жидкостей. В качестве модельной биомембраны была использована система липид-вода (Dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC)). Метод КРС дает возможность отслеживать состояние неполярной цепи липида по относительной интенсивности пиков спектра КРС, соответствующих колебаниям C–H и C–C связей (высокочастотный спектральный диапазон). Показано, что интенсивность антисимметричной моды C–H связи уменьшается выше температуры динамического перехода (~200 К). Было обнаружено также, что мода растягивающих C–C колебаний для конфигурации липида в all-trans состоянии также имеет особенность на температуре динамического перехода и уменьшается с ростом температуры при T > 200 K. Полученные данные позволили предложить микроскопическую модель динамического перехода, предполагающую термоактивационные переходы конформационного состояния неполярной цепи липида.

Публикации:

1. N.V. Surovtsev, E.S. Salnikov, V.K. Malinovsky, L.L. Sveshnikova, S.A. Dzuba “On the low-temperature onset of molecular flexibility in lipid bilayers seen by Raman scattering” // Journal of Physical Chemistry B, v. 112 (2008), pp.12361-12365.
2. N.V. Surovtsev, S.A. Dzuba “Conformational changes of lipids in bilayers at the dynamical transition near 200 K seen by Raman scattering” // Journal of Physical Chemistry B, v. 113 (2009), pp.15558-15562.

Исследование особенностей структуры и динамического отклика в стеклующихся жидкостях и неупорядоченных полимерах

Исследованы особенности однородного и неоднородного уширения линий комбинационного рассеяния света (КРС) в стеклующихся жидкостях (толуол и пиколин). Анализ спектров проводился с помощью функции Фойхта, позволяющей разделить однородное и неоднородное уширение. Было показано, что неоднородное уширение линий имеет следующую температурную зависимость: слабая зависимость ниже T_g (температура стеклования), очень слабая зависимость (или ее отсутствие) для температур выше T_A (температура перехода от термоактивационного поведения вязкости выше T_A к неаррениусовскому поведению ниже T_A) и резкое убывание в диапазоне T_g<T<T_A. Результаты интерпретируются как возникновение нанометровых неоднородностей при T = T_A, приводящих к появлению эффективного поля, действующего на молекулу. В жидком состоянии при понижении температуры неоднородность поля возрастает. В стеклообразном состоянии структура не изменяется, и температурная зависимость становится слабее.

Экспериментально исследованы особенности, так называемой, быстрой релаксации в стеклующихся материалах методом низкочастотного комбинационного рассеяния света. В спектрах КРС быстрая релаксация проявляется в виде центрального пика с характерной шириной в диапазоне 0.1-1 ТГц. Показано, что быстрая релаксация проявляется уже в стеклообразном состоянии и в ряде случаев хорошо описывается распределением двух-ямных потенциалов. На температуре T_g происходит резкое увеличение интенсивности центрального пика, соответствующего быстрой релаксации, а при некоторой температуре T_с ~ 1.2–1.5T_g интенсивность этого пика становится независящей от температуры.

В сотрудничестве с зарубежными коллегами сегментальная реориентационная динамика в расплавах линейных полимеров полибутадиена, полиизопрена и полидиметилсилоксана исследована методом ядерного магнитного резонанса в пределе больших молекулярных весов. Показано, что релаксационное поведение на низких частотах не является универсальным, отражающим полимерную динамику, а зависит от конкретных межъядерных векторов пар водородных спинов на мономере. Только после вычитания части спектра, соответствующей динамике низкомолекулярного образца (разной для разных полимеров), оставшаяся часть спектра демонстрирует универсальный вид, описывающий чисто полимерную динамику. Этот спектр может быть представлен двумя степенными режимами: один из них относится к раузовской динамике, а второй, на более низких частотах, связан с эффектом переплетения полимерных цепей.

Публикации:

1. N.V. Surovtsev, S.V. Adichtchev, V.K. Malinovsky “Transition from single-molecule to cooperative dynamics in a simple glass former: Raman line-shape analysis” // Physical Review E, v.76, №2 (2007) n.021502.
2. N.V. Surovtsev “On the glass-forming ability and short-range bond ordering of liquids” // Chemical Physics Letters, v.477, №1-3 (2009) pp.57-59.
3. N.V. Surovtsev “Interrelation between fast relaxation and mode-coupling theory temperature in glass formers” // Journal of Physics: Condensed Matter, v.19, №19 (2007), p.196101.
4. S.V. Adichtchev, N.V. Surovtsev, J. Wiedersich, A. Brodin, V.N. Novikov, E.A. Rössler “Fast relaxation processes in glasses as revealed by depolarized light scattering” // Journal of Non-Crystalline Solids, v.353, №16-17 (2007), pp.1491-1500.
5. И.В. Проць, В.К. Малиновский, Н.В. Суровцев “Исследование быстрой релаксации в стеклующемся селене методом низкочастотного комбинационного рассеяния света” // Физика и химия стекла, т.34, №1 (2008), с.39-47.
6. Herrmann A., Kariyo S., Abou Elfadl A., Meier R., Stapf S., Novikov V.N., Rössler E.A. “Universal polymer dynamics revealed by fast field cycling 1H NMR” // Macromolecules, v.42, № 14 (2009) pp. 5236–5243.
7. Herrmann A., Novikov V.N., Rössler E.A. “Dipolar orientational and
8. bond correlation function of linear polymers revealed by field cycling 1H
9. NMR: Crossover from Rouse to entanglement regime” // Macromolecules, v.42, № 6 (2009) pp. 2063–2068.
10. Abou Elfadl A., Herrmann A., Hintermeyer J., Petzold N., Novikov V.N.,
11. Rössler E.A. Molecular Weight Dependence of Fragility in Polymers // Macromolecules, v.42, № 17 (2009) pp. 6816–6817.

Исследование терагерцового отклика в сегнетоэлектриках

Сегнетоэлектрический переход сопровождается особенностью динамического отклика в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах. В этом диапазоне проявляются мягкие моды: колебательного типа для сегнетоэлектриков типа смещения и релаксационного типа для сегнетоэлектриков типа порядок-беспорядок. Существующая теория позволяет достаточно хорошо описать динамический отклик сегнетоэлектриков вблизи температуры фазового перехода. Тем не менее, остается ряд фундаментальных вопросов, требующих изучения: роль релаксационных степеней свободы в сегнетоэлектриках типа смещения, температурный диапазон, где справедливо приближение Ландау - Гинзбурга, влияние нанометровых неоднородностей в сегнетоэлектрических релаксорах на характер фазовых переходов. Было проведено экспериментальное исследование низкочастотного комбинационного рассеяния света (КРС) в ряде характерных сегнетоэлектриков: ниобат лития, танталат лития, дигидрофосфат калия, дейтерированный дигидрофосфат калия, ниобат бария-стронция. Показано, что во всех материалах наблюдается центральный пик, интенсивность которого резко возрастает при приближении к температуре фазового перехода. Результат интерпретирован как отражение роли релаксационных степеней свободы, учет которых важен даже для сегнетоэлектриков типа смещения. В наших работах был также определен температурный диапазон, где справедливо приближение Ландау - Гинзбурга для этих материалов.

Публикации:

1. N.V. Surovtsev, A.M. Pugachev, V.K. Malinovsky, A.P. Shebanin, S. Kojima “Low-frequency Raman spectra in LiNbO3: Within and beyond the standard paradigm of ferroelectric dynamics” // Physical Review B, v.72, №10 (2005), p.104303.
2. Н.В. Суровцев, А.М. Пугачев, В.К. Малиновский “Особенности поведения центрального пика в спектрах комбинационного рассеяния света кристалла ниобата лития” // Физика твердого тела, т.48, №6 (2006), с.1030-1034.
3. А.Г. Кузнецов, Н.В. Суровцев, В.К. Малиновский “Особенности поведения центрального пика в спектрах комбинационного рассеяния света кристалла танталата лития” // Физика твердого тела, т.48, №12 (2006), с.2190-2193.
4. A.G. Kuznetsov, V.K. Malinovsky, A.M. Pugachev, N.V. Surovtsev “Salient properties of Raman central peak in LiNbO3 and LiTaO3 crystals” // Ferroelectrics, v. 348 (2007), pp.177-181.
5. В.К. Малиновский, А.М. Пугачев, Н.В. Суровцев “Исследование сегнетоэлектрического фазового перехода в кристалле DKDP методом низкочастотного комбинационного рассеяния света” // Физика твердого тела, т.50, №6 (2008), с.1090-1095.
6. В.К. Малиновский, А.М. Пугачев, Н.В. Суровцев “Об универсальных закономерностях динамики решетки сегнетоэлектриков” // Физика твердого тела, т.51, №7 (2009), с.1315-1317.
7. V.K. Malinovsky, A.M. Pugachev, N.V. Surovtsev “Central peak in Raman spectra of ferroelectric KDP and DKDP crystals” // Ferroelectrics, v.379 (2009) pp.43-47.

Исследование новых SERS-активных подложек

Эффект усиления отклика вблизи нанометровых кластеров благородных металлов открывает дополнительные возможности при исследовании материалов методом комбинационного рассеяния света (КРС): возможность локализации отклика на масштабе нескольких нанометров, усиление сигнала при исследовании малого количества вещества и изменение правил отбора для КРС. Несмотря на то, что эффект гигантского комбинационного рассеяния света (surface enhanced Raman scattering, SERS) открыт более 30-лет назад, вопросы синтеза наночастиц, создания подложек, воспроизводимость и «время жизни» подложек, проблемы нанесения материалов и ряд других остаются нерешенными. В нашей работе были исследованы подложки для SERS, созданные в Институте полупроводников СО РАН новым методом. Метод заключается в формировании наночастиц серебра при фотохимическом или термическом разложении пленок солей серебра жирных кислот, наносимых на твердую подложку по технологии Ленгмюра - Блоджетт. Было показано, что этот метод дает хорошие воспроизводимые подложки.

Разработанная технология синтеза SERS-активных подложек была использована для изучения SERS от квантовых точек CdS, приготовленных по технологии Лэнгмюр - Блоджетт. Продемонстрировано, что SERS-активная подложка позволяет наблюдать усиление сигнала комбинационного рассеяния от квантовых точек в 700 раз.

Публикации:

1. N.V. Surovtsev, S.V. Adichtchev, T.A. Duda, L.D. Pokrovsky, L.L. Sveshnikova “New surface-enhanced Raman scattering active substrate fabricated by use of the Langmuir-Blodgett technique” // Journal of Physical Chemistry C, v.114, №11 (2010) pp.4803-4807.
2. А.Г. Милехин, Л.Л. Свешникова, Т.А. Дуда, Н.В. Суровцев, С.В. Адищев, Д.Р.Т. Цан “Гигантское комбинационное рассеяние света квантовыми точками CdS” // Письма в ЖЭТФ, т.88, №12 (2008), с.918-921.