Новости

8 ноября, 2023 12:10

Хаотичный бег частиц расскажет об их свойствах

Ученые теоретически доказали, что частицы, помещенные в электродинамическую ловушку — устройство, которое позволяет им «парить» в пространстве под действием электрического поля, — в определенных условиях начинают хаотично двигаться. При этом, в зависимости от свойств частицы — массы, заряда и размера, — переход к такому типу движения наступает при разном напряжении электрического поля. Наблюдая за поведением отдельных частиц, можно неразрушающим способом оценивать свойства различных соединений для нанотехнологий и лекарственных препаратов. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), опубликованы в журнале Chaos.
Источник: Getty Images

При разработке новых материалов, лекарственных препаратов и других высокотехнологичных продуктов очень важно знать, какими свойствами они будут обладать. Многое об этом может рассказать анализ отдельных частиц — например, небольших гранул — интересующего объекта. На сегодняшний день существует множество способов определения характеристик — массы, размера и заряда — твердых частиц. Однако каждый из них позволяет получить информацию только об одном из перечисленных параметров, из-за чего исследователям приходится сочетать несколько методов, что делает анализ длительным и трудоемким. Поэтому ученые ищут новые методы, которые позволили бы определять сразу несколько характеристик частицы.

Исследователи из Международного научного-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО (Санкт-Петербург) предложили использовать для определения параметров частиц поверхностную электродинамическую ловушку. Это устройство представляет собой набор плоских пластин из электропроводящего материала, на которую подается напряжение. Под его действием над ловушкой создается электрическое поле, в которое помещают твердую частицу — теоретически из любого материала: от неорганических микросфер до макромолекул и одиночных клеток.

Частица, помещенная в электрическое поле, «повисает» в нем, но не остается неподвижной, а слегка ритмично колеблется вверх-вниз, подобно маятнику. Математически авторы рассчитали, что такое ритмичное движение не сохраняется постоянно. Если увеличить напряжение, подаваемое на электроды ловушки, до определенного уровня — порядка нескольких киловольт (что в десятки раз выше, чем в розетке), — частица начинает двигаться хаотично, то есть не соблюдая исходный периодический ритм.


Схема поверхностной электродинамической ловушки. Источник: S. S. Rudyi et al. / Chaos, 2023

При этом частицы с разным набором параметров — массы, заряда, размера — переходят к хаотическому движению при различных значениях переменного напряжения . Поэтому, определив «точку хаоса» для различных частиц с заранее известными свойствами, например микросфер оксида кремния или диоксида титана, можно построить шкалу соответствия этой «точки хаоса» с характеристиками той или иной частицы. Пользуясь этой шкалой, можно будет по поведению еще неизученной частицы из вновь синтезированного материала в электрическом поле сразу определять ее массу, заряд и размер.

«В дальнейшем нам предстоит экспериментально проверить эффективность предложенного подхода для анализа свойств твердых частиц, чтобы доказать возможность его применения. В случае успеха описанный нами метод будет полезен в нанотехнологиях, биомедицинских лабораторных анализах и аналитической химии, поскольку позволит неразрушающим способом быстро и комплексно определять характеристики частиц различных материалов», — рассказывает основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Щербинин кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

21 мая, 2024
Сверхпрочные алмазные контейнеры помогут увидеть рентгеновские лучи
Ученые получили композит нового типа на основе алмаза и люминесцентных наночастиц внутри него. Раз...
20 мая, 2024
Соли уксусной кислоты упростят добычу тяжелой нефти
Ученые выяснили, что ацетаты — соли уксусной кислоты с переходными металлами — в комбинации с паро...