Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Механизм взаимодействия

Ядовитый кислород и полезный магний

Ключевые слова:  Иннтернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Булатов Эмиль Рафаэлевич

Опубликовал(а):  Травкин Илья Олегович

10 мая 2009

ОтветБулатова Эмиля Рафаэлевичана задачу "Ядовитый кислород и полезный магний" секции "Нанохимия"

Найдите ошибки в этом утверждении и поясните, что происходит на самом деле (2 балла).

Кремний не светится, а люминесцирует. Лечить раковые клетки – это значит помогать развитию рака в организме. Раковые клетки надо уничтожать, а не лечить! Под воздействием лазера на поверхности нанокристаллов кремния образуется синглетный кислород, который обладает исключительно высокой окислительной способностью, и его можно использовать для уничтожения нежелательных биологических объектов, например раковых клеток. В данном случае наночастицы кремния являются фотосенсибилизатором. Наночастицы кремния способны к видимой люминесценции при фото- и электровозбуждении, а также при адсорбции озона. Укорочение времени жизни люминесценции нанокристаллов кремния в водных суспензиях может свидетельствовать о генерации синглетного кислорода.

Где на практике может быть использовано данное свойство нанокристаллического кремния (2 балла)?

Фотодинамическая терапия (ФДТ) — метод лечения онкологических, опухолевых заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ — фотосенсибилизаторов (в том числе красителей), и, как правило, видимого света определенной длины волны. В ФДТ используют свет в диапазоне 600-800 нм, который, обладая достаточной энергией для возбуждения синглетного кислорода, имеет максимальную глубину проникновения в ткани. Синглетный кислород — основной активный компонент фотодинамической терапии. Синглетный кислород примерно в 100 раз эффективней невозбужденного О2 окисляет липиды, белки и другие биомолекул, а также способствует развитию фотоцитотоксических эффектов в тканях. Биосистемы обладают необычайно высокой чувствительностью к этому веществу. Синглетный кислород и радикалы вызывают в клетках опухоли некрози апоптоз(два варианта гибели клеток). ФДТ также приводит к нарушению питания и гибели опухоли за счет повреждения ее микрососудов. Детально изучены процессы фотосенсибилизированного порфиринами окисления ненасыщенных стероидов, в частности, холестерина, синглетным кислородом. Устройство для получения синглетного кислорода найдет широкое применение в технологических кислородно-йодных лазерах, а также в области охраны окружающей среды, например для очистки питьевой воды. Возможные сферы применения пористого кремния:

  • газовые сенсоры
  • взрывчатые вещества
  • в качестве матрицы для нанокомпозитов
  • фотосенсибилизаторы
  • датчик озона

Кремний быстро окисляется, превращаясь в химически инертный оксид кремния, чего нельзя сказать о современных препаратах, используемых в фотодинамической терапии. Биосовместимость с тканями организма наряду со свойством быстрого выведения из организма позволяет использовать данный материал в качестве фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии рака. Поскольку пористый кремний обладает очень высокой удельной поверхностью, то его можно использовать для создания датчиков влажности, газовых, химических и биологических сенсоров. Принцип действия таких датчиков основан на влиянии внешних молекул на электронное состояние поверхности, что в случае пористого кремния приводит к высокой чувствительности. Обычно такие датчики фиксируют изменение емкостных, проводящих, люминесцентных свойств пористого кремния при наличии в контролируемой среде заданных молекул. Ограничения в контактных и поверхностных свойствах этого материала, а так же высокой химической активностью в окислительной среде, связанные с его фундаментальными характеристиками не позволяют не только создавать устойчивые к внешним воздействиям (не деградирующих даже при при Н.У.) датчики, но и требует периодической, сложной калибровки в зависимости от условий их эксплуатации.

Как происходит процесс формирования «полезного воздуха», может ли это происходить с поликристаллическим кремнием (1 балл)?

Процесс формирования «полезного воздуха» происходит в порах нанокристиллического кремния, на наноразмерных дефектах поверхности. Энергия лазерного облучения передается молекулам кислорода, который из триплетного превращается в синглетный. С поликристаллическим кремнием такое едва ли возможно, так как в данном случае кристаллы не являются наноразмерными, поверхность материала является очень ровной, с малым количеством дефектов и пор. И поэтому образование синглетного кислорода затруднено.

Почему возникает свечение (1 балл)?

Фотолюминесценция в видимой области спектра появляется только в тех образцах пористого кремния, для которых размеры пор и кремниевых нанокристаллов не превышают нескольких нанометров. С уменьшением размеров нанокристаллов происходит сдвиг полосы фотолюминесценции в коротковолновую сторону и увеличение интенсивности свечения. Одновременно в сторону меньших длин волн сдвигается и край поглощения пористого кремния. Это следствие квантово-размерного эффекта — из-за ограниченного размера наночастицы энергия электронов и дырок квантуется, поэтому увеличивается ширина запрещенной зоны в полупроводниковом нанокристалле. Широкий спектр фотолюминесценции вызван распределением наночастиц по диаметру. Дальнейшее исследование показало, что люминесценция обусловлена взаимодействием экситона — связанной пары электрона и возникшей при его возбуждении положительно заряженной дырки. Сильно связанные экситоны с гораздо меньшей вероятностью будут диссоциировать термически — они будут аннигилировать излучательно, то есть с испусканием фотонов. Именно ими обусловлена люминесценция пористого кремния при комнатной температуре.

Почему именно специфического, легко узнаваемого цвета (1 балл)?

Наиболее удивительным свойством пористого кремния является его способность эффективно люминесцировать в видимой области спектра. Уже в первых опытах выяснилось, что эффективно люминесцируют образцы пористого кремния, в которых пористость превышает 50 %. Эффективность фотолюминесценции может достигать десятков процентов. Длиной волны излучения можно управлять изменяя условия анодирования. Оказалось возможным получать красный, зеленый и синий цвета, необходимые для изготовления цветных дисплеев. Оптические свойства пористого кремния также существенно отличаются от таковых для объемного материала. В частности, край спектра поглощения пористого слоя, отделенного от подложки, в зависимости от пористости смещен в сторону больших hν относительно Eg0 на 100—500 мэВ. Как уже говорилось, основной интерес к пористому кремнию вызван его способностью эффективно, в отличие от монокристаллического кремния излучать свет в видимом диапазоне. Это может быть использовано для создания значительно более дешёвых светоизлучающих устройств (светодиодов, плоских цветных дисплеев). Для целей интегральной оптики применяются планарные световоды, представляющие собой пленочную структуру, в которой свет распространяется в слое с высоким показателем преломления, ограниченном с двух сторон слоями с меньшим показателем преломления (эффект полного внутреннего отражения). Для пористого кремния этот показатель зависит от пористости (чем больше пористость, тем меньше показатель преломления), и поэтому формирование многослойных структур с разной пористостью позволяет получать на их основе волноводные элементы с низким уровнем потерь. Потери на поглощение можно дополнительно уменьшить окислением слоев пористого кремния. Размер пор, сравнимый с длиной волны, не позволяет описывать оптические свойства в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах в рамках приближения эффективной среды. Если поры не упорядочены, мы не вправе рассматривать эти материалы как фотонные кристаллы. Для них большую роль начинают играть рассеяние света и интерференция рассеянных волн.

Почему реакционная способность такого «полезного воздуха» существенно повышена (2 балла)?

Синглетный кислород примерно в 100 раз эффективней невозбужденного О2 окисляет липиды, белки и другие биомолекул, а также способствует развитию фотоцитотоксических эффектов в тканях. Биосистемы обладают необычайно высокой чувствительностью к этому веществу. Синглетный кислород и радикалы вызывают в клетках опухоли некроз и апоптоз (два варианта гибели клеток).

Объясните причину данного явления (4 балла)?

Данное открытие было сделано группой ученых под руководством акад. Бучаченко А.Л. (А.Л.Бучаченко, Д.А.Кузнецов, МАГНИТНЫЙ ИЗОТОПНЫЙ ЭФФЕКТ МАГНИЯ – КЛЮЧ К МЕХАНОХИМИИ ФОСФОРИЛИРУЮЩИХ ФЕРМЕНТОВ КАК МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАШИН. Молекулярная биология. (2006) 40:1, 12-20). Обнаружено, что активность ферментов АТФазы, креатин- и глицерофосфаткиназы, в которых ион Mg2+ имеет магнитно-изотопные ядра 25Mg, в 2-4 раза превосходит активность ферментов, в которых Mg2+ содержит бесспиновые, немагнитные изотопы 24Mg или 26Mg. Ядра 25Mg имеют спин 5/2, тогда как 24Mg и 26Mg являются бесспиновыми. Изотопный эффект однозначно доказывает, что синтез АТФ является спин-селективным процессом, в котором ион Mg2+ является реагентом, акцептором электрона. Синтез АТР происходит в ион-радикальной паре, партнерами которой являются оксирадикал АDР и Mg+. Ион Mg2+ – центральный реагент, трансформирующий механику белковой молекулы в химию; именно этот ион является ключевой деталью ферментов как механохимических молекулярных машин. Изотопный эффект магния в реакции фосфорилирования не зависит от атомной массы, а значит не является классическим. Это магнитный изотопный эффект, в котором скорость реакции зависит от спина и магнитного момента ядер. В обычных химических реакциях спин остается неизменным. В присутствии магнитного ядра в составе одного из образующихся радикалов может меняться спин электрона. Магнитное взаимодействие неспаренного электрона радикала с магнитным ядром приводит к изменению спина электрона (синглет переходит в триплет, или наоборот). Изменение спина заметно влияет на реакционную способность радикала. Это является ядерным спиновым контролем химической реакции. В данном случае магнитное ядро регулирует спин электрона и, следовательно, реакционную способность радикала. Это явление называется магнитный изотопный эффект. Как показано на рисунке, стадия 1 является обратимой. И поэтому скорость фосфорилирования ограничена скоростью обратной реакции. Однако, после взаимодействия образовавшегося синглета с 25Mg – образуется триплет. Для триплетного состояния реакция, обратная фосфорилированию, является запрещенной и обратная реакция не происходит. Поэтому скорость реакции фосфорилирования возрастает примерно в 2-3 раза. Это и является причиной повышения активности фермента в присутствии 25Mg.

Что объединяет первую и вторую часть задачи (1 балл)?

Две части задачи объединяет то, что в их основе лежит процесс изменение спина электрона. (синглет → триплет, триплет → синглет). Данные явления способны применяться, например, в области медицины.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 9.7 (голосов 7)

 


Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Паутина
Паутина

НАНОГРАД. СИРИУС. 2017
Молодежный форум Наноград-2017 пройдет в Образовательном центре «Сириус»

Визит Президента ИЮПАК в Образовательный центр "Сириус"
22 июля состоялся визит Президента Международного Союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), члена - корреспондента РАН, директора Института химии и проблем устойчивого развития РХТУ имени Д.И.Менделеева, профессора Н.П.Тарасовой в Образовательный центр "Сириус", в ходе которого всемирно известный ученый выступила перед школьниками направлений "Нанотехнологии", "Новые материалы", "Микромир и микроскопия", "Агропромышленные и биотехнологии", "Беспилотный транспорт и логистические системы" с публичной лекцией "Устойчивое развитие: планетарные границы и зеленая химия".

Фестиваль проектов Образовательного центра "Сириус": красивый эксперимент
21 июля 2017 года впервые состоялся грандиозный Фестиваль - выставка школьных проектов, разработанных в рамках Образовательной программы "Большие вызовы", на котором было представлено свыше 80 работ по 12 тематическим направлениям. В ходе Фестиваля в рамках нового формата общения около 800 школьников и 100 экспертов обсуждали у стендов результаты работы проектных команд. Завершился Фестиваль встречей и "Недетским разговором" с Президентом Российской Федерации В.В.Путиным.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.