Оренбургский государственный университет

Селективная лазерная инжекция молекул кислорода в полимерные глобулы жидких растворов и поры твердых наноструктур

Доработана математическая модель для описания диффузии молекул кислорода в структурированных средах с учетом термодиффузионного эффекта. В качестве таких структурированных сред рассматривались жидкие растворы полимерных глобул и сферические поры твердых структур, в которых молекулы кислорода могут свободно диффундировать. Модель основана на приближении газа Лоренца, где в роли легкой компоненты газовой смеси выступал кислород, в роли тяжелой – молекулы матрицы.

Проведено численное решение диффузионных уравнений с термодиффузионным слагаемым отдельно для сферических нанопор и полимерных глобул. Вычисления проводились для трех разных температурных режимов при реальных коэффициентах диффузии и температуропроводности. В результате выполненных расчетов было установлено, что величина термодиффузионного эффекта составляет от 10 до 50 процентов в зависимости от использованных значений параметров. На графиках функции плотности вероятности нахождения молекул кислорода в поре нами был обнаружен характерный провал, который объясняется временным обеднением реагентом прилегающей к наноструктуре области. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что при определенных условиях термодиффузия может оказывать существенное влияние на распределение реагента в матрице.

Была построена оценочная математическая модель для описания кинетики сигналов фосфоресценции и замедленной флуоресценции с учетом влияния термодиффузии. Расчеты показали, что чем сильнее влияние термодиффузии на распределение реагента в матрице, тем заметнее изменяется кинетика сигналов. Увеличение интенсивности сигнала происходит на величину до 50 процентов. Совершенно очевидно, что предлагаемый метод фототермического воздействия на объекты может быть использован для локального концентрирования (или, наоборот, оттока) примесных молекул в наноструктурах с люминесцентным мониторингом эффективности реакций.

Был проведен расчет термодиффузионного отношения для молекул кислорода при различных параметрах, в том числе в зависимости от температуры. В расчете учитывалась несферичность молекул О₂, а также анизотропия потенциала взаимодействия между молекулами кислорода и молекулами среды. Показано влияние глубины потенциальной ямы на величину термодиффузионного отношения. Рассчитанная зависимость использовалась при численном решении уравнения диффузии для радиально-распределенной концентрации n_ox (r,t) молекул кислорода в наноячейке.

Проведено численное моделирование процесса записи нестационарных концентрационных голографических решеток по термодиффузионному механизму в системе полимерной матрицы. Лазерное излучение производит разогрев матрицы. Предполагалось, что профиль результирующего температурного поля повторяет распределение интенсивности накачки и может быть представлен в виде функции синуса. В этом случае получаем нестационарную голографическую решетку, профиль которой повторяет профиль температурного поля. Наиболее интересный результат получен при несинусоидальным температурном поле. В расчетах показано, что специальным подбором профиля температурного поля мы можем управлять параметрами решетки. В частности, можно записывать решетки с половинным периодом, по сравнению с периодом поля накачки.