Оренбургский государственный университет

Научно-исследовательская деятельность

Сотрудники кафедры принимают активное участие в научно-исследовательской работе по направлению «Лазероиндуцированные процессы в конденсированных молекулярных системах». Все преподаватели и сотрудники кафедры образуют единую научную группу, исследующую проблемы кинетики нелинейных молекулярных фотопроцессов, молекулярной фотоники и наноплазмоники. Ежегодно преподаватели кафедры выступают с докладами на всероссийских и международных конференциях в Санкт-Петербурге, Москве, Новосибирске, Воронеже, Туапсе. Неоднократно получали приглашения для участия и участвовали в работе ряда международных симпозиумов.

Финансируемые проекты, 2017–2021 гг.

1. Плазмонные характеристики слоистых нанокомпозитных частиц со структурой «ядро-оболочка», многочастичных кластеров и пространственных решеток на их основе (госзадание Минобрнауки РФ № 3.7758.2017/БЧ, руководитель — д.ф.-м.н., проф. М.Г. Кучеренко 2017–2019 гг.).

   Основные результаты:

   • рассчитаны оптические спектры поглощения коаксиальных слоистых наностержней с проводящей жилой, а также шаровых слоистых нанокомпозитов, оболочки которых обладают экситоногенными свойствами, а электронная плазма металлических ядер замагничена постоянным внешним магнитным полем. Исследована пространственная структура электрического поля и рассчитаны вероятности индуцированных переходов молекул, расположенных в окрестности наноантенн-ретрансляторов, в виде нескольких параллельных стержней нанометрового радиуса;
   • разработан лабораторный образец спектрометра поверхностного плазмонного резонанса (ППР), отличающийся от имеющихся на рынке аналогов большим угловым разрешением, расширенным угловым диапазоном сканирования и возможностью проведения измерений на разных длинах волн. Создано программное обеспечение (C#) для разработанного спектрометра, позволяющее управлять прибором с ЭВМ через микроконтроллер ATMega8U2, а также регистрировать и обрабатывать полученные спектры. Спектрометр ППР планируется использовать для изучения параметров плазмонного резонанса в тонких металлических пленках и наноостровковых покрытиях. Помимо этого данный прибор может быть использован в качестве высокочувствительного сенсора для контроля диэлектрических параметров слоистых структур и растворов;
   • на основе специальной квантовой модели многослойной планарной плазмон-экситонной системы установлена возможность появления осцилляционного режима в кинетике распада-активации (энергообмена) компонентов слоистого гибрида при сильном их взаимодействии друг с другом и термостатом. Изменяя толщину изолирующей прослойки между двумерными экситонами и поверхностными плазмон-поляритонами в планарной наноструктуре можно осуществлять переключение кинетических режимов энергообмена между ее компонентами, от возвратно-осцилляционного до однонаправленного — релаксационного;
   • в результате проведенных экспериментов установлено, что при фотовозбуждении раствора полифениленвинилена (PPV) в толуоле лазерными источниками (445, 460 и 532 нм) концентрационные зависимости интенсивности люминесценции полимерного раствора носят немонотонный характер. С увеличением доли растворенных нанотрубок интенсивность люминесценции в максимуме спектра сначала возрастает, а затем снижается. Такой эффект наблюдался как при использовании одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), так и двустенных (ДУНТ). Глубина модуляции интенсивности свечения в случае ДУНТ оказалась выше, чем в случае ОУНТ;
   • рассчитаны спектры оптического поглощения и магнитного кругового дихроизма (МКД) кластеров, состоящих из двух наночастиц, одна из которых имеет структуру «ядро-оболочка».
2. Разработка метода повышения эффективности работы электрохимических солнечных ячеек на основе диоксида титана за счет внедрения в конструкцию металлических наночастиц с плазмонным резонансом (грант РФФИ № 15-08-04132, руководитель — к.ф.-м.н. Д.А. Кислов, 2015–2017 гг.).

   Основные результаты:

   • Отработана методика изготовления стандартной фотовольтаической ячейки на основе наноструктурированного диоксида титана. В результате получены стабильно работающие образцы. Проведено экспериментальное исследование влияния металлических наночастиц с плазмонным резонансом на механизмы работы электрохимических фотовольтаических элементов (солнечных батарей) на основе наноструктурированного диоксида титана. В ходе работы были экспериментально измерены основные параметры работы ячеек, такие как вольт-амперная и люкс-амперная характеристики, ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, эффективность, фактор заполнения и т. д.
   • Кроме того, проведено компьютерное моделирование изучаемых солнечных ячеек Гретцеля с внедренными наночастицами серебра методом конечных разностей во временной области (FDTD). Показано, что в присутствии наночастиц серебра в объеме ячейки структура электромагнитного поля сильно усложняется, появляются области, где поле посредством плазмонного резонанса в наночастицах серебра многократно локально усиливается, что в свою очередь влияет на поглощение света ближайшего к наночастице окружения.
3. Исследование адсорбции полиамфолитных полипептидов на поверхности поляризованной металлической наночастицы (грант РФФИ и Оренбургская область № 19-43-560003р_а, руководитель — к.ф.-м.н, доцент Н.Ю. Кручинин, 2019 г.).

   Основные результаты:

   • С использованием метода молекулярной динамики была исследована перестройка конформационной структуры полиамфолитных макроцепей с разными законами распределений заряженных звеньев в электрическом поле поляризованной металлической наночастицы, в том числе когда с полиамфолитной макромолекулой были связаны атомарные кластеры золота малого размера. На поверхности поляризованной металлической наночастицы формировалось неоднородное распределение плотности атомов полипептида в зависимости от угла между направлением вектора дипольного момента и вектором нормали к поверхности наночастицы. Также в сравнении с неполяризованной металлической наночастицей наблюдалось набухание макромолекулярной опушки с преимущественным выбрасыванием петель в направлении оси поляризации.
   • Было осуществлено построение математической модели формирования конформационных перестроек адсорбированной макроцепи полиамфолита, вызванных распределенными электрическими зарядами на поверхности поляризованной металлической сферической наночастицы. Произведено обобщение математической модели кинетики кросс-аннигиляции электронных возбуждений молекул кислорода и триплетных возбуждений органических молекул, учитывающей неоднородный и неизотропный характер распределения звеньев полимерной цепи вблизи поверхности сферической наночастицы.
   • Проведены оригинальные эксперименты по изучению спектров поглощения водных растворов наночастиц золота и серебра, полученных цитратным или боргидридным методом, в присутствии белковых молекул лизоцима, альбумина, трипсина и трансферрина.
4. Инактивация патогенных микроорганизмов и деструкция бактериальных пленок в реакциях с участием высоковозбужденных состояний фотосенсибилизаторов (госзадание Минобрнауки РФ № FSGU-2020-0003, руководитель — д.ф.-м.н, проф. С.Н. Летута, 2020–2021 гг.). Молекулярные процессы и реакции с участием высоковозбужденных состояний фотосенсибилизаторов (группа проф. Кучеренко М.Г.).

   Основные результаты:

   • Исследованы спектрально-люминесцентные свойства бензольных и толуольных растворов poly[2-methoxy,5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene-vinylene] (MEH-PPV) с добавками одно- и двустенных углеродных нанотрубок (УНТ) с целью обнаружения проявлений плазмонных свойств УНТ в люминесценции растворов MEHPPV. Установлено, что зависимость интенсивности люминесценции полимерного раствора от концентрации УНТ носит немонотонный характер: с увеличением количества растворенных нанотрубок эта интенсивность вначале возрастает, а затем спадает. Произведено прямое моделирование характеристик ближнего и дальнего поля на основе уравнений Максвелла, для численного решения которых использовался метод конечных разностей во временной области (FDTD). Проведенными вычислительными экспериментами было установлено, что УНТ со слоем MEH-PPV обладают направленными антенными свойствами, выступая в роли своеобразных волноводов.
   • На основе специально созданной теоретической модели произведены расчеты частотных зависимостей интенсивности свечения двухкомпонентной системы «экситон-активированная полупроводниковая квантовая точка (КТ) — плазмонная наночастица (НЧ)» в постоянном магнитном поле. В отличие от предыдущих моделей произведен выход за рамки приближения дипольной поляризуемости сферической наночастицы. Показано, что в спектрах скорости безызлучательного переноса энергии от КТ к НЧ, а также спонтанного испускания нанокомплекса кроме дипольных полос образуются полосы мультипольных переходов высших порядков, расщепляющиеся на дублетные компоненты в магнитом поле.
   • С использованием метода молекулярной динамики исследованы конформационные изменения адсорбированных на поверхности металлической наночастицы полиамфолитных полипептидов при изменении направления ее поляризации с частотой, соответствующей сверхвысокочастотному электрическому полю.
   • Методом молекулярной динамики исследованы конформационные изменения однородно заряженных полипептидов, адсорбированных на поверхности поляризованной золотой наночастицы. Рассчитаны зависимости средних угловых распределений и радиальной плотности атомов полиэлектролита на поверхности наночастицы. Представлена аналитическая модель конформационных изменений полиэлектролита, основанная на уравнении динамики гауссовой цепи, в потенциальном поле поляризованной наночастицы. Согласно аналитической модели построены картина деформированной «опушки» полиэлектролита и радиально-угловые зависимости его плотности звеньев на поверхности поляризованной наночастицы.

Статьи, опубликованные в научных журналах, включенных в Scopus, WoS и список ВАК

2018 г.

1. Kucherenko, M.G. Plasmon-activated intermolecular nonradiative energy transfer in spherical nanoreactors / M.G. Kucherenko, D.A. Kislov // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2018. V. 354. P. 25–32.
2. Афанасьев, Д.А. Особенности фотопроцессов в пленках поли (9,9-ди-н-оптилфлуоренил-2б7-диил), допированных солью KI / Д.А. Афанасьев, Н.Х. Ибраев, А.К. Нурмаханова, М.Г. Кучеренко // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 124, вып. 6. С. 758–765. (Англ.: Afanasyev, D.A. Peculiarities of Photoprocesses in Poly (9, 9-di-n-octylfluorenyl-2, 7-diyl) Films Doped with Potassium Iodide / D.A. Afanasyev, N. Kh. Ibrayev, A.K. Nurmakhanova, M.G. Kucherenko // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 124, № 6. P. 789–796.)
3. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование конформационной структуры полиамфолитов на поверхности золотой наночастицы / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Сибирский физический журнал. 2018. Т. 13, № 2. С. 86–94.
4. Кучеренко, М.Г. Динамика энергообмена и релаксация возбуждений при сильном экситон-плазмонном взаимодействии в планарной наноструктуре из молекулярных J-агрегатов на металлической подложке / М.Г. Кучеренко, Т.М. Чмерева // Оптика и спектроскопия. 2018. T. 125, вып. 2. С. 165–175. (Англ.: Kucherenko, M.G. Energy Exchange Dynamics and Relaxation of Excitations upon Strong Exciton–Plasmon Interaction in a Planar Nanostructure of Molecular J-Aggregates on a Metal Substrate / M.G. Kucherenko, T.M. Chmereva // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 125, № 2. P. 173–183.)
5. Кучеренко, М.Г. Особенности спиновой динамики и аннигиляции триплетных молекулярных возбуждений в нанореакторах с ферромагнитными частицами / М.Г. Кучеренко, П.П. Неясов // Химическая физика и мезоскопия. 2018. Т. 20, № 1. С. 33–48.
6. Кучеренко, М.Г. Спектры поляризуемостей замагниченных слоистых нанокомпозитов с анизотропной сердцевиной или оболочкой и локализованными поверхностными плазмонами / М.Г. Кучеренко, В.М. Налбандян // Оптический журнал. 2018. Т. 85, № 9. C. 1–9. (Англ.: Kucherenko, M.G. Polarizability spectra of magnetized layered nanocomposites with an anisotropic core or cladding and localized surface plasmons / M.G. Kucherenko, V.M. Nalbandyan // J. Opt. Technol. 2018. V. 85. P. 524–530.)
7. Чмерева, Т.М. Безызлучательный перенос энергии экситонного возбуждения между монослоями J-агрегатов / Т.М. Чмерева, М.Г. Кучеренко // Известия вузов. Физика. 2018. Т. 61, № 2. С. 91–97. (Англ.: Chmereva, T.M. Radiationless Electronic Excitation Energy Transfer Between Monolayers of J-Aggregates / T.M. Chmereva, M.G. Kucherenko // Russian Physics. 2018. Vol. 61, № 2. P. 304–311.)
8. Чмерева, Т.М. Плазмон-экситонное взаимодействие в планарных наноструктурах с квантовыми точками / Т.М. Чмерева, М.Г. Кучеренко, Д.А. Кислов, В.М. Налбандян // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125, вып. 5. С. 670–677. (Англ.: Chmereva, T.M. Plasmon–Exciton Interaction in Planar Nanostructures with Quantum Dots / T.M. Chmereva, M.G. Kucherenko, D.A. Kislov, V.M. Nalbandyan // Optics and Spectroscopy. 2018. V. 125, № 5. P. 729–736.)

2019 г.

1. Чмерева, Т.М. Эффект Фарадея и магнитный круговой дихроизм в средах с магнитоплазмонными наночастицами и двухчастичными / Т.М. Чмерева, М.Г. Кучеренко // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86, № 4. С. 647–653. (Англ.: Chmereva, T.M. Faraday Effect and Magnetic Circular Dichroism in Media with Magneto-Plasmonic Nanoparticles and Two-Particle Clusters / T.M. Chmereva, M.G. Kucherenko // Journal of Applied Spectroscopy. 2019. P. 1–7.)
2. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование электрически индуцированных конформационных изменений полиамфолитных полипептидов на поверхности золотой наночастицы / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Коллоидный журнал. 2019. Т. 81, № 2. С. 175–184. (Англ.: Kruchinin, N.Yu. Molecular Dynamics Simulation of Electrically Induced Conformational Changes of Polyampholytic Polypeptides on Gold Nanoparticle Surface / N.Yu. Kruchinin, M.G. Kucherenko // Colloid Journal. 2019. Vol. 81, Iss. 2. P. 110–119.)
3. Кучеренко, М.Г. Особенности детектирования магнитного резонанса реакций триплетных молекул по аннигиляционной замедленной флуоресценции в наноструктурированных средах [Электронный ресурс] / М.Г. Кучеренко, С.А. Пеньков // Химическая физика и мезоскопия. 2019. Т. 21, № 2. С. 278–289.

2020 г.

1. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование связанных с атомарными кластерами полиамфолитных полипептидов на поверхностях металлоподобных нанообъектов [Электронный ресурс] / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Биофизика. 2020. Т. 65, № 2. С. 219–228. (Англ.: Kruchinin, N.Y. A Molecular Dynamics Simulation of Polyampholytic Polypeptides Associated with Atomic Clusters on the Surfaces of Metal-Like Nanoobjects / N.Y. Kruchinin, M.G. Kucherenko // Biophysics (Russian Federation). 2020. Vol. 65, Iss. 2. P. 186–194.)
2. Кручинин, Н.Ю. Конформационные изменения полиамфолитных полипептидов на поверхности металлической наночастицы в сверхвысокочастотном электрическом поле: молекулярно-динамическое моделирование / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Коллоидный журнал. 2020. Т. 82, № 4. С. 440–450. (Англ.: Kruchinin, N.Y. Conformational Rearrangements of Polyampholytic Polypeptides on Metal Nanoparticle Surface in Microwave Electric Field: Molecular-Dynamics Simulation / N.Y. Kruchinin, M.G. Kucherenko // Colloid Journal. 2020. Vol. 82, Iss. 4. P. 392–402.)
3. Кручинин, Н.Ю. Электрически индуцированные конформационные изменения связанных с кластером золота полиамфолитных полипептидов на золотой поверхности: молекулярно-динамическое моделирование / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Журнал физической химии. 2020. Т. 94, № 7. С. 1066–1072. (Англ.: Kruchinin, N.Y. Electrically Induced Conformational Changes in Gold Cluster-Bonded Polyampholytic Polypeptides on a Surface of Gold: Molecular Dynamic Simulation / N.Y. Kruchinin, M.G. Kucherenko // Russian Journal of Physical Chemistry. 2020. Vol. 94, Iss. 7. P. 1433–1438.)
4. Кучеренко, М.Г. Люминесценция двухчастичного комплекса из сферической квантовой точки и плазмонной наноглобулы во внешнем магнитном поле / М.Г. Кучеренко, В.М. Налбандян // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128, вып. 11. С. 1776–1783. (Англ.: Kucherenko, M.G. Luminescence of a Two-Particle Complex from a Spherical Quantum Dot and Plasmon Nanoglobule in an External Magnetic Field / M.G. Kucherenko, V.M. Nalbandyan // Optics and Spectroscopy. 2020. Vol. 128, Iss. 11. P. 1910–1917.)
5. Penkov, S.A. Magnetic Field-Effect on Photoluminescence of Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV) Nanoparticles in a Poly[vinyl butyral] Matrix // Journal of Macromolecular Science. Part B : Physics. 2020. Vol. 59, Iss. 6. P. 366–375.
6. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование перестройки конформационной структуры полиамфолитных макромолекул на поверхности поляризованной металлической наночастицы / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Коллоидный журнал. 2020. Т. 82, № 2. С. 177–185. (Англ.: Kruchinin, N.Yu. Molecular-Dynamics Simulation of Rearrangements in the Conformational Structure of Polyampholytic Macromolecules on the Surface of a Polarized Metal Nanoparticle / N.Yu. Kruchinin, M.G. Kucherenko // Colloid Journal. 2020. Vol. 82, Iss. 2. P. 136–143.)
7. Русинов, А.П. Нелинейное поглощение растворов метиленового голубого в присутствии плазмонных наночастиц с различным поверхностным зарядом / А.П. Русинов, М.Г. Кучеренко // Оптика и спектроскопия. 2020. Вып. 9. С. 1380. (Англ: Rusinov, A.P. Nonlinear Absorption of Methylene Blue Solutions in The Presence of Plasma Nanoparticles with Various Surface Charge / A.P. Rusinov, M.G. Kucherenko // Optics and Spectroscopy. 2020. Vol. 128, Iss. 9. P. 1492–1499.)
8. Кучеренко, М.Г. Плазмонная активация и тушение люминесценции растворов полифениленвинилена (MEH-PPV) одно- и двустенными углеродными нанотрубками / М.Г. Кучеренко, В.Н. Степанов, Н.Ю. Кручинин // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128, № 8 (81063). С. 1203–1215. (Англ.: Kucherenko, M.G. Plasmon Activation and Luminescence Quenching of Solutions of Polyphenylene Vinylene (MEH-PPV) by Single-Walled and Double-Walled Carbon Nanotubes / M.G. Kucherenko, V.N. Stepanov, N.Yu. Kruchinin // Optics and Spectroscopy. 2020. Vol. 128, Iss. 8. P. 1298–1310.)

Защита диссертаций

16 февраля 2018 г. на заседании диссертационного совета Д 212.278.01, созданного на базе Ульяновского государственного университета, Налбандяном Виктором Меружановичем была защищена диссертация на тему «Взаимодействие молекул с плазмон-активированными наночастицами и их кластерами в магнитном поле» на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 «Оптика». Дата утверждения 6 июня 2018 г. № 609/нк-26.

Основные научные и производственные результаты