Важнейшие достижения 

Важнейшие достижения Центра

Важнейшие достижения 2022 года

САЖЕОБРАЗОВАНИЕ В ФЕРИЧЕСКОМ ДИФФУЗИОННОМ ПЛАМЕНИ: КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ «АДАМАНТ».

В период с 2019 по 2022 гг. на Международной космической станции (МКС) проводился совместный российско-американский космический эксперимент (КЭ) Flame Design (Адамант). Цель совместного КЭ – изучение механизмов управления сажеобразованием в сферическом диффузионном пламени (СДП), формируемом вокруг пористой сферы, и радиационного погасания СДП в условиях микрогравитации. Объектами исследования были «нормальные» и «обратные» СДП газообразного этилена в атмосфере кислорода с добавками азота при комнатной температуре и давлениях от 0,05 до 0,2 МПа. «Нормальное» пламя – это пламя, образованное в атмосфере окислителя при подаче горючего через пористую сферу. «Обратное» пламя – это пламя, образованное в атмосфере горючего при подаче окислителя через пористую сферу. В рамках проекта с Роскосмосом российским научным коллективом впервые разработана трехмерная нестационарная модель диффузионного горения газов с детальной кинетикой окисления этилена, дополненной макрокинетическим механизмом сажеобразования. Сравнение расчетов с экспериментом показало, что модель правильно описывает все наблюдаемые особенности диффузионного горения в условиях микрогравитации, включая радиационное погасание и сажеобразование. Расчеты для более чем 50 нормальных и обратных пламень показали, что сажеобразование в пламенях обоих типов сосредоточено в области, где местное атомарное отношение C/O и местная температура удовлетворяют условиям 0,32 <C/O <0,44 и  > 1300–1500 К. На основе исследований разработаны рекомендации по мероприятиям, снижающим и исключающим сажеобразование в диффузионных пламенях.

| | | |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |                    (a) |                  (б) |

Рисунок 1 – Фотографии сферических диффузионных пламен этилена в КЭ «Адамант» в условиях микрогравитации на МКС: (а) нормальное пламя; (б) обратное пламя.

   
  

Рисунок 2 – Расчетные зависимости температуры нормальных и обратных пламен, претерпевающих радиационное погасание, от времени.

 

Рисунок 3 – Расчетные зависимости температуры от локального атомарного отношения C/O в нормальных (синие кривые) и обратных (красные кривые) пламенах через 30 с после зажигания. Область, окрашенная полупрозрачной красной заливкой, соответствуют параметрической области сажеобразования.

Авторы: Фролов С. М., Иванов В.С., Фролов Ф. С., Власов П. А. Сажеобразование в сферическом диффузионном пламени. Горение и взрыв, 2022, том 15, № 4, с. 30-47.

Фемтосекундная лазерная энуклеация ооцитов мыши.

Руководитель работы: профессор В.А. Надточенко (ФИЦ ХФ РАН)

Для задачи клонирования животных и для реализации метода цитоплазматической замены у человека существует необходимость к получению реципиентного цитопласта – ооцита, у которого была удалена его собственная ДНК. Подготовка реципиентного цитопласта, обычно осуществляемое при помощи микроиглы, неизбежно ведет к потере репрограммируемых факторов. В данной работе предлагается оригинальная методика разрушения ДНК внутри ооцита при помощи 795 нм фемтосекундного (ФС) лазера, что позволяет избежать прокалывания ооцита и потери репрограммирующих факторов.

Остросфокусированное ФС лазерное излучение направляли на метафазную пластинку, положение которой выявляли с помощью флуоресцентного красителя Hoechst 33342. По мере облучения метафазной пластинки люминесценция исчезала (Рисунок 1).

Эффективность ФС лазерной энуклеации подтверждается отсутствием люминесценции ДНК при повторном окрашивании после энуклеации и неспособностью энуклеированных ооцитов развиваться после партеногенетической активации. В то же время ооциты, облученные лазером в область, не содержащую метафазную пластинку, после партеногенетической активации развиваются так же успешно, как и ооциты контрольной группы. Кроме того, не было обнаружено существенного измерения уровня активных форм кислорода после фемтосекундного лазерного воздействия на ооциты.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что ФС лазерная энуклеация ооцитов на стадии метафазы II – эффективная и малоинвазивная методика, имеющая перспективы для применения в биомедицине.

Рисунок 1. Энуклеация ооцитов на стадии метафазы II. А – до начала энуклеации, B – метафазная пластинка частично разрушена, С – энуклеированный ооцит.

Результаты работы опубликованы в Biomedical Optics Express Vol. 13, Issue 3, pp. 1447-1456 (2022) https://doi.org/10.1364/BOE.449523,  грант РНФ № 21-75-10155.

Обнаружение и лабораторное масс-спектральное исследование нового канала стока озона в тропосфере.

Зеленов В.В., Апарина Е.В., Филиал ФИЦ ХФ РАН (г. Черноголовка)

В лабораторных условиях методом кинетической масс-спектрометрии обнаружен и исследован неизвестный ранее канал захвата озона на органическом аэрозоле в условиях многокомпонентного состава малых газовых составляющих, присущего земной тропосфере. Обнаруженный канал представляет собой гетерогенную реакцию озона с твердыми продуктами захвата конкурирующих газов-реагентов.

На базе общепринятой модели конкурентного захвата впервые сделана оценка вклада этого дополнительного канала стока озона в общий расход озона в тропосфере при типичных концентрациях конкурирующих газов-реагентов и при пониженной температуре. Полученные оценки свидетельствуют о существенном увеличении расхода озона с учетом этой дополнительной реакции и о необходимости пересмотра кинетических параметров гетерогенных реакций, содержащихся в современных базах данных по константам скорости реакций в атмосфере. При этом пересмотр должен касаться не только озона, но и других основных тропосферных оксидантов.

На рисунке показана рассчитанная на основе полученных экспериментальных данных временная зависимость основного кинетического параметра гетерогенной реакции расхода озона (коэффициента захвата) на свежей саже в условиях конкурентной адсорбции О3 и NO2 (▬) при их типичных концентрациях 10 и 17 ppb в тропосфере в зимнее время без учета дополнительного канала стока озона. Интегральный вклад дополнительного канала стока (▬) составляет 75%  от основного.

КОНДЕНСАЦИЯ ДНК В БАКТЕРИЯХ.

Пространственная структура конденсированной ДНК определяет функцию клетки. Изучение конденсации ДНК в клетке важно для понимания механизмов выживания бактерий и для медицины, поскольку упорядоченная конденсация ДНК обеспечивает устойчивость патогенных бактерий к действию антибиотиков. При переходе клеток в покоящееся состояние (практическое отсутствие метаболизма) обычные биохимические способы защиты ДНК перестают работать. Клетки, адаптируясь к новым условиям, вынуждены использовать физические механизмы защиты ДНК (плотную упаковку ДНК, нанокристаллизацию ДНК с белками и т. д.). В 2022 году проведено изучение изменений в архитектуре ДНК под влиянием другого вида стресса, отличного от стресса голодания, химического аналога аутоиндуктора анабиоза 4-гексилрезорцина (4ГР). Рост концентрации 4ГР индуцирует переход клеток в анабиотическое покоящееся состояние, а затем и в мумифицированное состояние (полное отсутствие метаболизма). Проведенные исследования структуры ДНК в анабиотическом и мумифицированном состояниях показывают спектроскопическую идентичность структуры ДНК в покоящемся анабиотическом состоянии (Рис.1А) и в покоящемся состоянии, образующемся при стрессе голодания (Рис.1Г). Исследования структуры ДНК в мумифицированном состоянии показывают сильное отличие от структуры ДНК в анабиотическом состоянии.

Рис.1 Динамика активации и прорастания анабиотических форм E. coli полученных под действием 4ГР: желтые кривые- растущие клетки, синие - (А) клетки, под действием 4ГР  в концентрации 10-4 M  (В) клетки, находящиеся 1.5 часа в питательной среде (С) клетки, находящиеся 14 часов в питательной среде, (D) клетки, находящиеся  96 часов в питательной среде (голодание).

Работа выполнена в рамках Государственного задания ФИЦ ХФ РАН 1.9

Руководитель работы: д.ф.-м.н. Крупянский Ю.Ф.

Детали исследований опубликованы в статьях:

Krupyanskii Y.F., et al. Architecture of Condensed DNA in the Nucleoid of Escherichia coli Bacterium // Biophysics, 2022, V. 67, № 4, p. 506-517. DOI: 10.1134/S0006350922040133, Q4, Impact factor: 0.7
Moiseenko A., Loiko N., Sokolova O.S., Krupyanskii Y.F. Application of Special Electron Microscopy Techniques to the Study of DNA – Protein Complexes in E. coli Cells // In: Peeters E., Bervoets I. (eds) Prokaryotic Gene Regulation. Methods in Molecular Biology, 2022, V. 2516. Humana, New York, NY. DOI: 10.1007/978-1-0716-2413-5_9.ISSN 1064-3745. Scopus Q3 Impact factor: 1.52

Высокоэффективная технология детоксикации опасных химических веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве.

Разработана и испытана на примере N-(фосфонометил)-глицина (глифосата), являющегося действующим веществом более 180 пестицидов и занимающего по объёму производства первое место в мире среди гербицидов, принципиально новая эффективная технология детоксикации, сочетающая воздействие УФ-излучения и озонирования.

Глифосат химически достаточно стабилен в объектах окружающей среды и очень медленно поддается химической трансформации даже при фотолизе. Его период полуразложения в почве достигает 174 дней. В водные объекты гербициды на основе глифосата и его метаболиты, являющиеся загрязнителями питьевых водных ресурсов, попадают с грунтовыми водами. В организме человека глифосат (коммерческое название Раундап) вызывает гибель клеток эмбрионов, клеток пуповинной крови и плаценты, препятствует клеточному дыханию, разрушает мембраны и ДНК.

Разработанный метод заключается в комбинированной обработке водных растворов глифосата УФ-облучением в сочетании с одновременным озонированием. Как показали проведенные испытания, обработка водных образцов глифосфата в течение 14,5 час. продувом 160,8 мг озона в час при одновременном облучении светом УФ лампы ДРШ-1000 с диапазоном λ = 250–600 нм приводит к 10-кратному снижению токсичности.

Токсичность образцов исходного и обработанного растворов глифосата проверялась на 2-х тест-объектах из разных звеньев трофической цепи – люминесцентных бактериях серии «Эколюм» по токсическому действию исследуемой пробы на гашение интенсивности биолюминесценции за 5–30-ти минутный период экспозиции, и на инфузориях Tetrahymena pyriformis по приросту числа их клеток за 24-х часовой период.

Для автоматизации определения эффективности методов детоксикации биотестированием поверхностных вод суши, промышленных и коммунальных стоков путем подсчета живых клеток инфузорий создан новый программно-аппаратный комплекс с фото и видео съемкой в проходящем и отраженном свете (рис. 1) на основе микроскопа МБС-10 и цифровой видеокамеры Levenhuk 130. Разработана программа распознавания микрообъектов ParaCount 7, ориентированная на решение задач биотестирования в экологической химии, показавшая эффективность, быстродействие и возможность осуществлять точный подсчет биообъектов с размерами от 5 мкм.

Разработанная высокоэффективная технология детоксикации полностью готова к практическому применению и может быть рекомендована для очистки объектов окружающей среды: почв, вод и уничтожения запасов высокотоксичного стойкого и экологически опасного химического соединения техногенного происхождения – глифосата.

Рис. 1. Съемка суспензии клеток инфузории Tetrahymena pyriformis в проходящем (справа) и отраженном (слева) свете. Точки – живые клетки инфузории.

Люминесцентные свойства альгинатных аэрогелей, сшитых ионами редкоземельных элементов.

Впервые в среде сверхкритического диоксида углерода получены люминесцентные аэрогели альгината натрия, сшитого ионами редкоземельных элементов (Eu3+, Tb3+, Sm3+), которые содержат в качестве лигандов фенантролин, теноилтрифторацетон, дибензоилметан и ацетилацетонат, введённые в аэрогель также в среде сверхкритического СО2. Показано, что в результате введения лигандов интенсивность люминесценции аэрогелей может возрастать (в частности, при введении фенантролина в аэрогели, сшитые любыми ионами, рис.1), или уменьшаться (например, при введении теноилтрифторацетона в аэрогель, сшитый Tb3+). Таким образом, взаимодействие в образующихся системах металл-лиганд уникально для каждой пары. Показано также, что после введения сенсибилизирующих лигандов пористая структура аэрогеля сохраняется (рис.2). Размер пор и их удельная площадь составляют около 150 нм и 270 м2/г соответственно, а ионы металлов, служащие сшивающими агентами, равномерно распределены по толщине образца и их содержание составляет около 22 мас. %.

| | |
| --- | --- |
|   |   |
| Рис.1 Спектры возбуждения и люминесценции комплексов Еu3+ до и после импрегнации фенантролином. Увеличение интенсивности максимума люминесценции при 615 нм более чем в 78 раз подтверждает образование нового комплекса | Рис.2. Электронные микрофотографии поверхности аэрогельной плёнки, сшитой ионами Еu3+. |

Такие аэрогели представляют интерес как перспективные материалы для люминесцентных сенсоров на газы, летучие органические соединения, катионы металлов и анионов. Это обусловлено способностью ионов редкоземельных элементов координировать значительное количество лигандов (до 8 – 12) и большой удельной поверхностью аэрогеля, что позволяет адсорбировать достаточное для обнаружения количество молекул анализируемого соединения.

Опубликовано в Features of Luminescent Properties of Alginate Aerogels with Rare Earth Elements as Photoactive Cross-Linking Agents. Kaplin V., Kopylov A., Koryakovtseva A., Minaev N., Epifanov E., Gulin A., Aksenova N., Timashev P., Kuryanova A., Shershnev I., Solovieva A. Gels 2022, 8, 617.

Авторы: Каплин В.С., Копылов А.С., Коряковцева А.А., Минаев Н.В., Епифанов Е, Гулин А.А., Аксенова Н.А., Курьянова А.С., Шершнев И.В., Тимашев П.С., Соловьёва А.Б.

Оптимизация кислород-ионной проводимости, теплопроводности и люминесценции твердых растворов в системах MO2 - Nd2O3 (M = Zr, Hf). Фактор локальной гетерогенности.

Соединения и твердые растворы в системах ZrO2-Ln2O3 (Ln = La-Lu, Y, Sc) со структурой флюорита и пирохлора имеют широкий спектр свойств, пригодных для разнообразных практических применений, среди которых, высокая кислород-ионная проводимость, низкая теплопроводность, высокая радиационная стабильность, люминесценция. Многообразие свойств связано выраженной структурной тенденцией к образованию катионных и анионных дефектов в результате фазовых переходов типа порядок-беспорядок (пирохлор-флюорит).

Стабилизированные неодимом флюориты на основе ZrO2 и HfO2, а также пирохлоры с различным типом замещения (Nd2−xMx)M2O7+x/2 (x = 0.78, 0.67, 0.5, 0.4, 0.2, 0.1, 0.05), Nd2(M2−xNdx)O7−x/2 (M = Zr, Hf; x = 0, 0.05, 0.1, 0.7) изучены структурными методами (спектроскопия комбинационного рассеивания (КР), рентгеноструктурный анализ (РСА)); проводимость исследована методом импеданс-спектроскопии в сухом и влажном воздухе; для гафнатов впервые исследована теплопроводность. Установлено 2 максимума кислород-ионной проводимости и люминесценции  для стабилизированного флюорита (Nd2-xZrx)Zr2O7+x/2 (x = 1.27) и пирохлоров (Nd2−xZrx)Zr2O7+x/2 (x = 0.4, 0.2), связанные с наличием в них наноразмерных фаз с разной степенью структурного порядка (тетрагональная фаза, флюорит, пирохлор) (Рис.1 а) [1]. В гафнатной системе максимальной проводимостью (Рис.1 б) обладали материалы (Nd2-xHfx)Hf2O7+x/2 (x= 0.2, 0.32, 0.39), которые, помимо пирохлоров, содержали две модификации оксида гафния m - HfO2 и γ2 - HfO2 в количестве 4-16 мас.%, причем γ2 - HfO2 локализован в виде нанодоменов. Обнаружено, что двухфазный материал (Nd2-xHfx)Hf2O7+x/2 (x = 0.2), содержащий ~ 4 мас. % HfO2, показал наименьшую теплопроводность: 1.52 Вт м–1·К–1 при 300 К, что в 2 раза ниже, чем у используемого на практике стабилизированного иттрием ZrO2 (Рис.1 б) [2].

                                    (а)                                                                    (б)

Рис.1 (а) 3D-карта общей проводимости твердых растворов со структурой пирохлора системы Nd2O3-ZrO2 в сухом воздухе. (б) Кислород-ионная проводимость, теплопроводность и люминесценция  материалов в системе  Nd2O3-HfO2.

[1] N.V. Lyskov, A.N. Shchegolikhin, D. N. Stolbov, I.V. Kolbanev, E. Gomes, J.C.C. Abrantes A.V. Shlyakhtina. Study of oxygen-ion conductivity and luminescence in the ZrO2-Nd2O3 system: impact of local heterogeneity. Electrochimica Acta 403 (2022) 139632. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139632

[2] A.V. Shlyakhtina, O.N. Kondrat′eva, G.E. Nikiforova , A.N. Shchegolikhin , D.N. Stolbov, I.V. Kolbanev, Wenping Liang, N.V. Lyskov. Study of Nd2±xHf2±xO7±δ system: The ionic and thermal transport properties. Materials Research Bulletin 155 (2022) 111971. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2022.111971

Автор: д.х.н. Шляхтина А.В.

Исследование нелинейных колебаний двустенных углеродных нанотрубок.

Разработка электро-механических устройств нанометрового масштаба вызывает повышенный интерес к описанию динамических свойств наноструктурных объектов (нанотрубок и нанопластин). Было показано, что в низкочастотной области динамика этих нанообъектов хорошо описывается континуальными моделями, основанными на нелинейной теории тонких упругих оболочек. В рамках этого подхода разработана новая модель нелокальной анизотропной упругой оболочки для исследования нелинейных колебаний двустенных углеродных нанотрубок, основанная на нелинейной теории упругих оболочек Сандерса-Койтера. При этом каждая из нанотрубок описывается как нелинейно упругая тонкая оболочка, характеризуемая упругими константами. Силы взаимодействия Ван-дер-Ваальса между двумя концентрическими одностенными углеродными нанотрубками описываются с помощью потенциала Леннарда-Джонса. Для определения необходимых констант нелокальной модели было проведено молекулярно-динамическое моделирование низкочастотных колебаний двустенных нанотрубок.

| | |
| --- | --- |
|   |   |
|   |  Рис.1 Мгновенный снимок молекулярно-динамического моделирования низкочастотных колебаний двустенной нанотрубки. Показанная мода принадлежит ветви кольцевых изгибных колебаний. |

В результате проведенного анализа было показано, что локальная модель завышает собственные частоты по сравнению с результатами МД моделирования, причем это завышение растет с увеличением числа продольных полуволн, и оно значимо для изгибных мод в большей степени, чем для кольцевых-изгибных. Амплитудно-частотная кривая, полученная в рамках нелокальной модели, свидетельствует об упрочняющем нелинейном поведении.

| | |
| --- | --- |
|   | |
|   | Рис.2 Амплитудно-частотная характеристика кольцевых изгибных колебаний. (Amax/R1 – отношение амплитуды колебаний к радиусу внешней нанотрубки, fNL/fL – отношение частоты нелинейных колебаний к частоте собственных колебаний, вычисленной в линейном пределе). |

Matteo Strozzi, Valeri V. Smirnov, Francesco Pellicano, Margarita Kovaleva, Nonlocal anisotropic elastic shell model for vibrations of double-walled carbon nanotubes under nonlinear van der Waals interaction forces; International Journal of Non-Linear Mechanics 146 (2022) 104172; https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2022.104172

Автор: Ковалева М.А.

СВЯЗЬ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ С ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ТРОПОСФЕРЕ*.

Определение физических механизмов передачи энергии тропосферных возмущений в ионосферу является одной из фундаментальных проблем физики атмосферы. К таким возмущениям приводят как регулярные события (прохождение солнечного терминатора), так и нерегулярные (метеорологические шторма, землетрясения, солнечные затмения и др). В рамках данного исследования проводились одновременные наблюдения тропосферных и ионосферных возмущений в периоды прохождения солнечного терминатора, солнечного затмения и метеорологического шторма. Лидарное зондирование показало, что во время развития этих событий в тропосфере формируются области с заметным повышением амплитуд вариаций плотности, давления и температуры с периодами, соответствующими акустическим (АВ) и внутренним гравитационным волнам (ВГВ). Одновременные спутниковые измерения зафиксировали отклик ионосферы на тропосферные возмущения. По данным наблюдений для каждого из событий были определены характерные периоды, временные и пространственные масштабы вариаций. В ходе экспериментов было установлено, что время отклика ионосферы на тропосферные возмущения составляет 30–40 минут. В результате численного моделирования с использованием программного комплекса «AtmoSym» показано, что нелинейные и диссипативные процессы в термосфере приводят к образованию источников вторичных волн с периодами, бóльшими, чем у первичных АВ и ВГВ, распространяющихся вертикально вверх из тропосферы в термосферу. Кроме того, рассмотрен вопрос о влиянии тропосферных возмущений на работу глобальных навигационных спутниковых систем.

*) Голубков Г.В., Адамсон С.О., Борчевкина О.П., Ванг П.К., Дьяков Ю.А., Ефишов И.И., Карпов И.В., Курдяева Ю.А., Луховицкая Е.Е., Ольхов О.А., Тепеницына Н.Ю., Уманский С.Я., Шагимуратов И.И., Шаповалов В.Л., Якимова Г.А., Голубков М.Г. Связь ионосферных возмущений с динамическими процессами в тропосфере // Химическая физика. — 2022. — Т. 41, № 5. — C. 53–76.

Автор: д.ф.-м.н., в.н.с. Голубков М.Г