Автореферат (Исследование фотофизических процессов в растворах молекул красителей в объемной и мицеллярной воде)

На правах рукописиПОТАПОВ Алексей ВладимировичИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВРАСТВОРАХ МОЛЕКУЛ КРАСИТЕЛЕЙ В ОБЪЕМНОЙ ИМИЦЕЛЛЯРНОЙ ВОДЕ01.04.05 – оптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2005Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор А.

М. Салецкий,физический факультет МГУим. М. В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В. З. Пащенко,биологический факультет МГУим. М. В. Ломоносова;доктор физико-математических наук,профессор Р. З. Сюняев, РГУ нефти игаза им. И. М. ГубкинаВедущая организация:Оренбургский ГосударственныйУниверситетЗащита состоится " 16 "февраля " 2005г. в " 1500 " час. на заседанииСпециализированного совета Д501.001.45 при Московском ГосударственномУниверситете им.

М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинскиегоры, ГСП-2, НИИЯФ МГУ, 19 корпус, аудитория 2-15.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.Автореферат разослан " 11 "январяУченый секретарьСпециализированного совета Д501.001.45доктор физико-математических наук22005г.А. Н. Васильев3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Изучение фотофизических процессов, происходящих вансамблях сложных органических соединений, является одной из важнейшихзадач современной молекулярной физики, оптики и спектроскопии. Этообъясняется значимостью такого рода процессов в природных системах ирастущими практическими применениями таких молекулярных систем длярегистрации информации, в качестве активных сред и элементов управлениялазерных систем и др.Обычно, сложные молекулы находятся в окружении молекул среды(растворителя),которыеоказываютсущественноевлияниенафотофизические процессы.

При анализе этих процессов в подобныхсистемах,однако,неучитываетсявлияниеструктурыокружениярастворенных молекул на механизм их протекания. Представления,привлекаемые для анализа сложных молекулярных систем, базируются напредположении их гомогенности, подразумевающей отсутствие структурныхнеоднородностей в окружающей сложную молекулу матрице. Реальные жемолекулярные системы характеризуются гетерогенностью, обусловленнойпространственной неупорядоченностью молекул.В связи с этим, особый интерес представляет изучение влияниягетерогенности среды на фотофизические процессы, в том числе переносэнергии электронного возбуждения (ПЭЭВ) и молекулярную ассоциацию.Интерес к этим процессам обусловлен тем, что эффективностьпроцессовпереносаэнергииэлектронноговозбужденияикомплексообразования в основном состоянии - ассоциации напрямуюзависит от существования локальных областей повышенной концентрациимолекул – гетерогенности системы.

При наличии подобных областей всистеме происходит увеличение эффективности этих процессов, из-зауменьшения регламентирующего расстояния между взаимодействующими4молекулами, и, следовательно, эта величина является характеристикойструктурирования матрицы окружения.В этой связи представляет интерес исследование влияния воднойматрицы на фотофизические процессы. Многочисленные исследованиясвойств воды и водных растворов показали, что вода является весьманеординарнойжидкостью,трудноподдающейсянетольконепосредственному экспериментальному изучению, но и моделированию.Многие из ее параметров аномальны и существенно отличаются отаналогичных параметров других жидкостей, что может быть связано соструктурой водной среды.Особый интерес представляет вода внутри обращенных мицелл,которые можно рассматривать как микрореактор с легко варьируемымиразмерами, природой ''стенок'' и внутренней средой. Вода, заполняющаявнутреннюю полость гидратированных обращенных мицелл, отличается посвоим физико-химическим свойствам от обычной (объемной) воды.Цель проведенных исследований состояла в исследовании структурыводных систем методами спектроскопии рассеянного света, спектральнолюминесцентном исследовании фотофизических процессов (перенос энергииэлектронного возбуждения, ассоциация) между молекулами сложныхорганических веществ в этих системах и установлении влияния структурыматрицы окружения на их эффективность.В задачу исследования входило изучение структурных особенностейH2O+D2Oрастворовирастворовобращенныхмицеллметодамиспектроскопии рассеянного света.

Исследование процессов ассоциации иструктуры образующихся комплексов молекул органических красителей вводных, водно-спиртовых и H2O+D2O растворах, а так же в системахобращенных мицелл. Изучение влияния СВЧ – излучения на спектральныехарактеристики водных растворов красителей. Исследование процессовпереноса энергии между молекулами органических красителей в водных5растворах с добавками неэлектролитов, растворах H2O+D2O, системахобращенных мицелл.Научная новизна.

Впервые установлено существование структурныхнеоднородностей в H2O+D2O растворах и определены их размеры. Показановлияние количества мицеллярной воды на размер, форму, полидисперсностьобращенных мицелл и структуру мицеллярного раствора. Установленоизменение эффективности процесса ассоциации и структуры образующихсякомплексов молекул красителей при добавлении спирта и тяжелой воды вводную матрицу растворителя, а так же при солюбилизации обращеннымимицеллами.

Исследовано влияние СВЧ - излучения различных частотныхдиапазонов на ассоциацию молекул красителей и структуру их водныхрастворов. Впервые исследованы процессы переноса энергии электронноговозбуждения в водных растворах с добавками неэлектролитов и в растворахH2O+D2O. Впервые исследован внутри- и межмицеллярный перенос энергииэлектронного возбуждения в системах обращенных мицелл.Значимость полученных результатов. Результаты исследованияфотофизических процессов в растворах со структурной организациейрасширяют представления о механизмах взаимодействия в сложныхмолекулярных и биологических системах.

Полученные результаты могутиспользоватьсякакметодикаописанияструктурыгетерогенныхмолекулярных систем и фотофизических процессов, проходящих в этихсистемах. Также, полученные результаты могут быть использованы дляпостроения модели воды, на основании новых данных о фрактальномраспределении взаимодействующих молекул.Результаты изучения растворов обращенных мицелл дают новуюинформацию о структурных особенностях водной матрицы и способахизменения данной структуры, а так же представляют интерес дляспециалистов в области химической энзимологии.6Результаты исследования влияния СВЧ – излучения на процессыассоциации могут быть применены для диагностики водных систем и другихреальных биологических объектов.Основные защищаемые положения:1.

Структура H2O+D2O растворов формирует кластерное распределениевзаимодействующих молекул. В H2O, H2O+D2O с объемным соотношением50: 50 и D2O растворах формируются кластеры наибольшего размера.2. При увеличении количества мицеллярной воды происходитструктурированиемицеллярногораствора(образованиемицеллярныхкластеров) и уменьшение его полидисперсности.3. Высокая эффективность процессов комплексообразования молекулкрасителей обусловлена кластерной структурой окружающей матрицырастворителя.

При разрушении этой структуры происходит уменьшениеэффективности ассоциации и перестройка структуры ассоциата.4. СВЧ- воздействие на водные растворы молекул органическихкрасителей осуществляется через изменение структуры водной матрицы. ПриСВЧ-облучении происходит деформация, перестройка, а возможноразрушение водородных связей, и как следствие кластерной структуры воды.Структурные изменения воды под действием СВЧ поля вызывает изменениестепени ассоциации и формы димеров растворенного красителя и ихразрушение.5.Эффективностьпроцессовпереносаэнергииэлектронноговозбуждения (ПЭЭВ) в водных растворах красителей обусловлена ихморфологией.

В таких системах формируется кластерное распределениевзаимодействующих молекул, имеющее фрактальную размерность, чтовызывает увеличение эффективности ПЭЭВ. Добавление неэлектролитов вводные растворы и нагревание приводит к разрушению кластернойструктуры. При добавлении D2O в H2O наблюдается отклонение от7линейного изотопического эффекта влияния на структуру раствора и какследствие на эффективность фотопроцессов.6.Разрушениесолюбилизациикластернойобращеннымиструктурымицеллами.воднойПрисистемыувеличениипристепенигидратации или добавлении спирта во внутреннюю часть обращенныхмицеллпроисходитвосстановлениеструктурныхнеоднородностей,присущих водной матрице.Апробация работы: Основные результаты диссертационной работыбыли представлены следующих конференциях: 7-ой Международнойконференциистудентовиаспирантовпофундаментальнымнаукам«Ломоносов-2000» (Москва.

2000 г.); Научной молодежной школе «Оптика2000» (Санкт-Петербург. 2000 г.); Международной конференции полюминесценции, посвященной 110-летию со дня рождения академикаС.И.Вавилова (Москва. 2001 г.); 2-ом Всероссийском семинаре «Проблемы идостижениялюминесцентнойспектроскопии»(Саратов.2001г.);Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальнымнаукам«Ломоносов-2003»(Москва.2003г.);3-ейМеждународнойконференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2003» (СанктПетербург. 2003 г.); Международной конференции «Современные проблемыфизики и высокие технологии» (Томск. 2003 г.); Федеральной итоговойнаучно-техническойконференциитворческоймолодежиРоссиипоестественным, техническим, гуманитарным наукам (Москва. 2003 г.);Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальнымнаукам«Ломоносов-2004»(Москва.2004г.);11-ойВсероссийскойконференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик.

2004г.).Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатныхработ.8Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзоралитературы (глава 1), описания материалов и методов (глава 2), трех глав,посвященных представлению полученных результатов, выводов и спискацитируемой литературы, содержащего 177 ссылок. Работа изложена на 131странице, содержит 51 рисунок и 1 таблицу.Во введении рассматриваются актуальность поставленной задачи иобсуждаются цели настоящей работы.В обзоре литературы состоящем из 5 разделов представлено описаниеструктурных моделей воды (§1.1), мицеллярных систем (§1.2), исследуемыхфотофизических процессов – ассоциации и переноса энергии электронноговозбуждения и работ, посвященных изучению этих процессов (§1.3 и §1.4), атак же взаимодействия СВЧ – излучения с водными системами (§1.5).В главе объекты и методика исследования перечислены вещества,использовавшиесявработе,иописаныэкспериментальныеметодыисследования фотофизических процессов.В главах с третьей по пятую представлены и обсуждены полученныеэкспериментальные результаты.В заключение отдельным пунктом вынесены основные результаты ивыводы.РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ1.