Колебательные процессы и формирование мультифрактальных структур в биомолекулярных плёнках для перспективных задач электроники.

Актуальность Колебательные процессы играют важную роль в современной электронике. При разработке тех или иных электронных устройств, в частности интегральных микросхем или отдельных функциональных элементов плат, уделяют достаточно большое внимание различным колебаниям электрических полей. Исключением не стала и активно развивающаяся в настоящее время биомолекулярная электроника. Перспективными материалами для такого типа электроники являются отдельные органические молекулы, такие как аминокислоты, пептиды и белки, а также созданные из них пленки. С точки зрения химии и биологии эти структуры являются полноценно изученным материалом. Что же касается радиофизики, волновых процессов и колебаний в них, вопрос исследования различных характеристик остается открытым. Процесс образования биомолекулярных пленок начинается с распространения механических волн в жидкой фазе пленок, получаемых из растворов биомолекул. Механические волны в биомолекулярных пленках распространяются на относительно невысоких частотах: волновые процессы видны невооруженным глазом. Подобные низкочастотные колебания жидкой фазы пленок приводят к образованию мультифрактальных структур. Такие структуры определяют характеристики пленок, такие как проводимость или коэффициент преломления. Поэтому биомолекулярные пленки могут стать перспективным материалом для разработки прототипов биомолекулярной гибридной электроники. В то же время, колебания отдельных молекул лежат в более высокой частотной области. Это дает возможность использования отдельных молекул в целях развития современной электроники и технологии передачи информации. В данной работе исследуются колебательные процессы в биомолекулярных пленках, приводящие к образованию мультифрактальных структур, а также высокочастотные колебания в молекулах пептидов для разработки технологии передачи информации.
Цель работы Выявление особенностей формирования мультифрактальных структур в самоорганизованных биомолекулярных пленках и колебаний отдельных биомолекул для разработки устройств биомолекулярной электроники.
Задачи работы 1. Разработать и применить алгоритм обработки изображений биомолекулярных пленок для анализа мультифрактальных структур и выявления особенностей их образования при различных параметрах создания пленок. 2. Определить зависимости фрактальной размерности структур от параметров создания биомолекулярных пленок. 3. Провести моделирование молекулярной динамики для анализа высокочастотных колебаний дипольных моментов компонентов молекулярных систем с помощью параллельных вычислений на суперкомпьютере. 4. Выполнить анализ частотных характеристик колебаний дипольных моментов компонентов молекулярных систем при различных параметрах молекулярных моделей в свободном и вынужденном режимах.
Научная новизна Все результаты, включенные в диссертационную работу, являются новыми и получены впервые, в частности: 1. Разработан алгоритм расчета фрактальной размерности мультифрактальных дендритных структур с использованием методов цифровой обработки изображений. На основе данного алгоритма создана компьютерная программа и зарегистрирован РИД (программное свидетельство №2020667561, 24.12.2020). 2. Определена зависимость фрактальной размерности структур в биомолекулярных пленках от параметров дегидратации растворов биомолекул. 3. Определены оптимальные параметры физико-математических моделей молекулярных систем для проведения моделирования молекулярной динамики и последующего частотного анализа колебаний дипольных моментов в терагерцовом диапазоне. 4. Предложенная модификация метода моделирования молекулярной динамики позволяет проводить спектральный анализ биомолекул, рассматривать селективное возбуждение отдельных типов связей в молекулах при приложении внешнего переменного электрического поля среднего ИК диапазона.
Положения, выносимые на защиту 1. Применение биомолекулярных плёнок в качестве встраиваемых фрактальных антенн в биомолекулярной радиоаппаратуре обусловливается достижением стабилизации максимального количества мультифрактальных структур в плёнках при установленной концентрации белка в исходном водном растворе 5% и начальном объёме раствора 2 мл. 2. Размерность периодических мультифрактальных структур в биомолекулярных плёнках по-разному зависит от концентраций соли и белка в диапазоне температур 20-40°С: повышение концентрации соли NaCl от 2% до 10% приводит к росту фрактальной размерности (до 1,85), в то время как повышение концентрации белка в этом же диапазоне вызывает уменьшение фрактальной размерности (до 1,45). 3. Определены параметры физико-математических моделей колебательных молекулярных систем, а также параметры моделирования, позволяющие вычислять спектры колебаний дипольных моментов биомолекул в диапазоне от 0 до 250 ТГц за минимальное время при минимальном объеме данных о позициях атомов компонентов молекулярных систем. 4. Исследование селективно возбужденных типов связей в биомолекулах, актуальных для детального исследования компонентов биомолекулярной электроники, может выполняться посредством численного моделирования колебаний дипольных моментов биомолекул при приложении внешнего электрического поля терагерцового диапазона.
Значимость работы Теоретическая значимость диссертации состоит в том, что полученные в работе результаты могут быть применены для развития теории колебательных процессов в биологических системах. Результаты работы являются дополнением в теорию разработки и создания гибридных биомолекулярных электронных элементов. Практическая значимость исследования заключается в том, что полученные результаты о структуризации биомолекулярных пленок могут быть применены для формирования биомолекулярных пленочных структур как перспективного материала для разработки устройств биомолекулярной гибридной электроники, в частности в качестве встраиваемых биомолекулярных фрактальных микроантен.
Личный вклад диссертанта В данной работе представлены результаты научной деятельности соискателя в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого, полученные автором лично в работе по исследованию колебательных процессов в биомолекулярных системах.
Апробация работы Основные результаты исследований апробировались на 19 международных и всероссийских конференциях: Российская молодежная конференция по физике и астрономии «Физика. СПб» (Санкт-Петербург, 2020 г.); Международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN» по Оптоэлектронике, Фотонике и Нанобиотехнологиям (Санкт-Петербург, 2017 и 2018 гг.); Международная конференция «Laser Optics» (Санкт-Петербург, и 2020 гг.); Международная конференция по оптике и биофотонике «Saratov fall meeting» (Саратов, 2017 и 2018 гг.); Конгресс молодых ученых (Италия, 2018 г.); V Международная конференция и молодёжная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (Самара, 2020 г.); Международная конференция по применениям оптики и фотоники (Лиссабон, Португалия, 2019 г.); IV Симпозиум по эффекту Казимира (Санкт-Петербург, 2019); IEEE Международная конференция по электротехнике и фотонике (СанктПетербург, 2018–2021 гг.); Международная конференция по энергетике, материалам и нанотехнологиям (Санкт-Петербург, 2019 г.); Симпозиум по исследованиям в области электромагнетизма (Санкт-Петербург, 2017 г.); Международная конференция по проводным/беспроводным передовым сетям и системам нового поколения (Санкт-Петербург, 2018–2021 гг.).