Развитие теории и эксперимента в области сенсорно-актуаторных квантовых технологий биомиметических материалов
УДК 538.9:539.21
Аннотация
В обзоре дан анализ проблемы создания единого подхода к экспериментальному описанию и к теоретическому расчету взаимосвязей, идущих параллельно внутри атомов аттосекундных реакций субатомных квазичастиц и фемтосекундных превращений на атомном масштабном уровне биомиметических материалов. Решение этой проблемы появилось на грани 2020-х гг., когда синхротронная генерация аттосекундных однопериодных фотонов сделала возможным экспериментальное изучение их влияния на субатомную квантовую динамику в материалах и открыла путь к квантовым технологиям управления аттосекундной динамикой пар и одиночных электронов, запутанных с однопериодными фотонами. Рассмотрены решения трех основных задач, открывающих реальные перспективы разработки квантовых наноэлектромеханических систем сенсорно-актуаторных технологий самосборки и самоорганизации биомиметических материалов, начиная с аттосекундно-субатомного масштаба и, через диссипативные энергетические цепи, заканчивая фемтосекундными процессами на атомном уровне материала. Рассмотрены значимость и актуальность построения моделей квантовой физикохимии и компьютерных расчетов механизмов иерархической системы управления квантовыми технологиями не только на субатомном и атомном, но также на более высоких нано-, микро- и мезомасштабных уровнях строения биомиметических материалов.
Скачивания
Metrics
Литература
Intelligent Materials / Edited by M. Shahinpoor, H.-J. Schneider. Cambridge, UK: Thomas Graham House. 2008. 532 p.
Жуковский М.С., Безносюк С.А., Потекаев А.И., Старостенков М.Д. Теоретические основы компьютерного наноинжиниринга биомиметических наносистем. Томск: Изд-во Научно-техническая литература, 2011. 236 с.
Martin D.R., Matyushov D.V. Electron-transfer Chain in Respiratory Complex I // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 1-11. DOI: 10.1038/s41598-017-05779-y
Эббот Д., Дэвис П., Пати А. Квантовые аспекты функционирования биологических структур. Долгопрудный: Изд-во Интеллект. 2014. 320 с.
Corkum PB. Attosecond Pulses at Last // Nature. 2000. Vol. 403. P. 845-846. DOI: 10.1038/35002711
Levesque J., Corkum P.B. Attosecond Science and Technology // Canadian Journal of Physics. 2006. Vol. 84. No 1. P. 1-18. DOI: 10.1139/p05-068
Niikura H., Corkum P.B. Attosecond and Angstrom Science // Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics. 2006. Vol. 54. P. 511-548. DOI: 10.1016/S1049-250X(06)54008-X
Corkum P.B., Krausz F. Attosecond Science // Nature Physics. 2007. Vol. 6. No 3. P. 381-387. DOI: 10.1038/nphys620
Krausz F., Ivanov M., Attosecond Physics // Reviews of Modern Physics. 2009. Vol. 81. No 1. P. 163-234. DOI: 10.1103/ RevMo dPhys.81.163
Gallmann L., Cirelli C., Keller U. Attosecond Science: Recent Highlights and Future Trends // Annual Review of Physical Chemistry. 2012. Vol. 63. P. 447-469. DOI: 10.1146/ annurev-physchem-032511-143702
Ranitovic P., Hogle C. W., Riviere P., Palacios A., Tong X.M., Toshima N., et al Attosecond Vacuum UV Coherent Control of Molecular Dynamics // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2014. Vol. 111. P. 912-917. DOI: 10.1073/pnas.1321999111
Kim D.E. Extreme Metrology for Ultrafast Electron Dynamics at the Atomic Scale II Journal of the Korean Physical Society. 2018. Vol. 73. P. 227-234. DOI: 10.3938/jkps.73.227
Hofmann C., Bray A., Koch W. et al. Quantum Battles in Attoscience: Tunnelling // The European Physical Journal D. 2021. Vol. 75. P. 1-13. DOI: 10.1140/epjd/s10053-021-00224-2
Armstrong G.S.J., Khokhlova M.A., Labeye M., et al. Dialogue on Analytical and Ab Initio Methods in Attoscience // The European Physical Journal D. 2021. Vol. D 75. No 209. P. 1-31. DOI: 10.1140/epjd/s10053-021-00207-3
Жуковский М.С., Безносюк С.А., Ладыгин Ю.И. Компьютерный наноинжиниринг функциональных био-миметических материалов и устройств // Нанотехника. 2011. № 1 (25). С. 80-85.
Жуковский М. С., Безносюк С.А., Ванчинкхуу Дж. Теоретические основы и компьютерное моделирование фемтосекундного импульсного синтеза активных центров наноструктурных превращений материалов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. С. 176-184.
Жуковский М.С, Безносюк С.А. Квантовая теория моделирования фемтосекундно-импульсной самосборки и самоорганизации активных нанометровых частиц в материалах // Нанотехника. 2013. № 1 (33). С. 41-45.
Beznosyuk S.A., Zhukovsky M.S., Zhukovsky T.M. Theory and Computer Simulation of Quantum Nems Energy Storage in Materials // International Journal of Nanoscience. 2015. Vol. 14. P.147-152. DOI: 10.1142/ S0219581X14600230
Beznosyuk S.A., Zhukovsky M.S. Multiscale SpaceTime Dissipative Structures in Materials: Two-Electron Genesis of Nonequilibrium Electromechanical Interfaces // Physical Mesomechanics. 2017. Vol. 20. P. 102-110. DOI: 10.1134/ S102995991701009X
Steinhauser M.O. Computational Multiscale Modeling of Fluids and Solids: Theory and Applications : 2nd Edition. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. 2017. 419 p. DOI: 10.1007/978-3-662-53224-9
Умэдзава Х., Мацумото Х., Татики М. Термополевая динамика и конденсированные состояния: пер с англ. М.: Физматлит, 1985. 509 с.
Hess Н. Toward Devices Powered by Biomolecular Motors // Science. 2006. Vol. 312. P. 860-861. DOI: 10.1126/ science.1126399
Lund K., Manzo A.J., Dabby N., et al. Molecular Robots Guided by Prescriptive Landscapes // Nature. 2010. Vol. 465 (7295). P. 206-210. DOI: 10.1038/nature09012
Lerner E.J. Biomimetic Nanotechnology // The Industrial Physicist. 2010. No 4. P. 16-19.
Horejs C., Mitra M.K., Pum D., Sleytr U.B., Muthukumar M. Monte Carlo Study of the Molecular Mechanisms of Surface-Layer Protein Self-Assembly // The Journal of Chemical Physics. 2011. Vol. 134 (12). P. 125103. DOI: 10.1063/1.3565457
Horejs C., Gollner H., Pum D., Sleytr U.B., Peterlik H., Jungbauer A., Tscheliessnig R. Atomistic Structure of Mono-molecular Surface Layer Self-Assemblies: Toward Functionali-zed Nanostructures // ACS Nano. 2011. Vol. 5 (3). P. 2288-2297. DOI: 10.1021/nn1035729
Injac R., Prijatelj M., Strukelj B. Fullerenol Nanoparticles: Toxicity and Antioxidant Activity // Oxidative Stress and Nanotechnology: Methods and Protocols. 2013. Vol. 1028. P. 75-100. DOI: 10.1007/978-1-62703-475-3_5
Kovel E., Sachkova A., Vnukova N., Churilov G., Knyazeva E., Kudryasheva N. Antioxidant Activity and Toxicity of Fullerenols via Bioluminescence Signaling: Role of Oxygen Substituents // International Journal of Molecular Sciences. 2019. Vol. 20 (9), No 2324. P. 1-16. DOI: 10.3390/ijms20092324
Kovel E.S., Kicheeva A.G., Vnukova N.G., Churilov G.N., Stepin E.A., Kudryasheva N.S. Toxicity and Antioxidant Activity of Fullerenol C60, 70 with Low Number of Oxygen Substituents // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol. 22 (12). No 6382. P. 1-17. DOI: 10.3390/ijms22126382
Tang N., Ding Z., Zhang J., Cai Y. and Bao X. Recent Advances of Antioxidant Low-Dimensional Carbon Materials for Biomedical Applications // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2023. Vol. 11. P. 1-6. DOI: 10.3389/ fbioe.2023.1121477
El-Hnayn R., Canabady-Rochelle L., Desmarets C., Balan L., Rinnert H., Joubert O., et al. One-Step Synthesis of Diamine-Functionalized Graphene Quantum Dots from Graphene Oxide and Their Chelating and Antioxidant Activities // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. P. 1-18. DOI: 10.3390/nano10010104
Vatandost E., Saraei A.G., Chekin F., Raeisi S.N., Sha-hidi S. Antioxidant, Antibacterial and Anticancer Performance of Reduced Graphene Oxide Prepared via Green Tea Extract Assisted Biosynthesis // Chemistry Select. 2020. Vol. 5. P. 10401-10406. DOI: 10.1002/slct.202001920
Tara N., Siddiqui S.I., Nirala R.K., Abdulla N.K., Chaudhry S.A. Synthesis of Antibacterial, Antioxidant And Magnetic Nigella Sativa-Graphene Oxide Based Nanocomposite BC-GO@Fe3O4 for Water Treatment // Colloid and Interface Science Communications. 2020. Vol. 37. P. 1-12. DOI: 10.1016/j.colcom.2020.100281
Yao W., Zhou S., Wang Z., Lu Z., Hou C. Antioxidant Behaviors of Graphene in Marine Environment: a First-Principles Simulation // Applied Surface Science. 2020. Vol. 499. P. 1-7. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.143962
Chang X., Xu S., Liu S., Wang N., Sun S., Zhu X., et al. Highly Sensitive Acetone Sensor Based on WO3 Nanosheets Derived from WS2 Nanoparticles with Inorganic Fullerene-Like Structures // Sensors and Actuators B: Chemical. 2021. Vol. 343. P. 1-11. DOI: 10.1016/j.snb.2021.130135
Gakhar T., Rosenwaks Y., Hazra A. Fullerene (C60) Functionalized TiO2 Nanotubes for Conductometric Sensing of Formaldehyde //Sensors and Actuators B: Chemical. 2022. Vol. 364. P. 1-12. DOI: 10.1016/j.snb.2022.131892
Shetti N.P., Mishra A., Basu S., Aminabhavi T. M. Versatile Fullerenes as Sensor Materials // Materials Today Chemistry, 2021. Vol. 20. No 100454. P. 1-27. DOI: 10.1016/j. mtchem.2021.100454
Uygun H.D.E., Uygun Z.O. Fullerene Based Sensor and Biosensor Technologies // Smart Nanosystems for Biomedicine, Optoelectronics and Catalysis. Intech. Open. 2020. Vol. 1. P. 1-16.
Amin N.A.A.M., Said S.M., Salleh M.F.M., Afifi A.M., Ibrahim N.M.J.N., Hasnan M.M.I.M., Tahir M., Hashim N.Z.I., Review of Fe-Based Spin Crossover Metal Complexes in Multiscale Device Architectures // Inorganica Chimica Acta. 2023. Vol. 544. P. 12168-1-121168-12. DOI: 10.1016/j. ica.2022.121168
Blencowe M. Quantum Electromechanical Systems // Physics Reports. 2004. Vol. 395. P. 159-222. DOI: 10.1016/j. physrep.2003.12.005
Desai T., Bhatia S. Therapeutic Micro/Nanotechnology. BioMEMS and Biomedical Nanotechnology. Berlin: Springer. 2007. 1856 p.
Безносюк С.А., Жуковский М.С., Потекаев А.И. Теория движения в конденсированном состоянии квантовых электромеханических плазмоидных наноботов // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 5. С. 55-64. DOI: 10.1007/ s11182-013-0067-8
Beznosyuk S.A., Maslova O.A., Zhukovsky M.S. Quantum Infrastructure of Attosecond Sensors and Actuators of Nonequilibrium Physical Media in Smart Materials // Physical Mesomechanics. 2019. Vol. 22. P. 432-438. DOI: 10.1134/ S1029959919050096
Beznosyuk S.A., Maslova O.A., Zhukovsky M.S. Hybrid Quantum Technologies of Intellectual Nanomaterials // International Journal of Nanotechnology. 2019. Vol. 16. P. 22-33. DOI: 10.1504/IJNT.2019.102389
Mak A., Shamuilov G., Salen C., et al. Attosecond Single-Cycle Undulator Light: A Review // Reports on Progress in Physics. 2019. Vol. 82. P. 1-30. DOI: 10.1088/1361-6633/aafa35
Maroju P.K., Grazioli C., Fraia M. Di., et al. Attosecond Pulse Shaping Using a Seeded Free-Electron Laser // Nature. 2020. Feb. Vol. 578 (7795). P. 386-391. DOI: 10.1038/s41586-020-2005-6
Aseev S.A., Mironov B.N., Ryabov E.A., et al. Ultrafast Transmission Electron Microscope for Studying The Dynamics of the Processes Induced by Femtosecond Laser Beams // Quantum Electronics. 2017. Vol. 47. P. 116-122. DOI: 10.1070/ QEL16276
Beznosyuk S.A., Maslova O.A., Zhukovsky M.S. Attosecond Nanotechnology: From Subatomic Electrostatic Strings Entangling Electron Pairs to Supra-Atomic Quantum Nanoelectromechanical Systems Energy Storage in Materials // International Journal of Nanotechnology. 2018. Vol. 15. P. 245-257. DOI: 10.1504/IJNT.2018.094783
Ofer K. Entanglements of Electrons and Cavity Photons in the Strong-Coupling Regime // Physical Review Letters. 2019. Vol. 123. P. 103602-1-103602-7. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.123.103602
Agueny H. Coherent Electron Displacement for Quantum Information Processing Using Attosecond Single Cycle Pulses // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. 21869. P. 1-9. DOI: 10.1038/s41598-020-79004-8
Vanacore G.M., Madan I., Carbone F. Spatio-Temporal Shaping of a Free-Electron Wave Function Via Coherent Light-Electron Interaction // La Rivista del Nuovo Cimento. 2020. Vol. 43. P. 567-597. DOI: 10.1007/s40766-020-00012-5
Siwick B.J., Arslan I., Wang X. Frontier Nonequilibrium Materials Science Enabled by Ultrafast Electron Methods // MRS Bulletin. 2021. Vol. 46. P. 688-693. DOI: 10.1557/s43577-021-00148-7
Ebbesen T.W. Hybrid Light-Matter States in a Molecular and Material Science Perspective // Accounts of Chemical Research. 2016. Vol. 49 (11). P. 2403-2412. DOI: 10.1021/acs. accounts.6b00295
Thomas A., et al. Tilting a Ground-State Reactivity Landscape by Vibrational Strong Coupling // Science. 2019. Vol. 363. P. 615-619. DOI: 10.1126/science.aau7742
Sidler D., Ruggenthaler M., Schafer C., Ronca E., Rubio A. A Perspective on Ab Initio Modeling of Polaritonic Chemistry: The Role of Non-Equilibrium Effects and Quantum Collectivity // The Journal of Chemical Physics. 2022. Vol. 156. P. 1-23. DOI: 10.1063/5.0094956
Gonzalez-Ballestero C., Feist J., Gonzalo Badia E., et al. Uncoupled Dark States Can Inherit Polaritonic Properties // Physical Review Letters. 2016. Vol. 117. P. 156402-1-156402-5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.156402
Copyright (c) 2024 Марк Сергеевич Жуковский
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
