Исследование электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках

Страницы: 1 2

Оглавление

Введение
1 Литературно-патентный обзор. Анализ литературных источников по тематике работы
1.1 Понятие и сущность электромагнитных резонансных явлений
1.2 Определение и особенности акустических резонансных явлений
1.3 Основы исследований электромагнитных и акустических резонансных явлений
2 Практическая реализация исследования электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках
2.1 Исходные данные исследования
2.2 Процесс и результаты исследования электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках
2.3 Моделирование электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках и формирование выводов
Заключение
Список использованных источников

Введение

Актуальность. Тонкие пленки как объект исследования представляют собой системы, которые обладают уникальными оптическими, магнитными, механическими и электронными свойствами по сравнению с иными материалами. Исследование электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках имеет значимость не только как фундаментальное направление в физике тонких пленок, но и как перспективное направление в нанотехнологии и материаловедении. В настоящее время разрабатываются новые методы для управления такими явлениями, которые могут привести к новым типам элементов управления в сферах, где нужна усиленная светодинамика и ньютоновская оптика. Изучение этих явлений на уровне тонких пленок позволяет изолировать интересующие нас свойства, что делает их релевантными для широкого спектра исследований.
Исследование акустических резонансных явлений в тонких пленках имеет особую актуальность, т. к. позволяет изучать механические свойства и динамику тонких пленок, а также их эффекты. Это может быть полезно для создания устройств на основе акустических резонаторов, таких как фильтры, усилители и генераторы смещения частоты, а также для улучшения различных типов биомедицинских и других приборов. Таким образом, электромагнитные и акустические резонансные явления в тонких пленках имеют высокую научную и техническую значимость, т. к. могут привести к созданию новых инновационных материалов и технологий для электроники, фотоники, акустики, оптики и других областей науки и промышленности.
Цель – исследование теоретических аспектов и реализация практического исследования электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках.
Объект – тонкие пленки.
Предмет – электромагнитные и акустические резонансные явления в тонких пленках.
Задачи:
— рассмотреть теоретические особенности электромагнитных и акустических резонансных явлений;
— представить основы исследований электромагнитных и акустических резонансных явлений
— реализовать исследование электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках;
— смоделировать электромагнитные и акустические резонансные явления в тонких пленках и сформировать выводы.
Теоретическая изученность представлена анализом научных трудов отечественных и зарубежных исследователей. Так, в элементарном учебнике физики Ландсберга Г.С. освещается теория колебаний и волн. Красильников В.А. рассматривает теорию акустических колебаний и резонансных явлений в различных средах. Данилов О.Е. описывает демонстрационный эксперимент по изучению полей методом компьютерного сканирования, что позволяет визуализировать акустические резонансы в тонких пленках. Широносов В.Г. исследует различные типы резонансных явлений, включая электромагнитные и акустические, обнаруживаемые в разных объектах. Левин А.И. в своей работе по теоретическим основам электрохимии рассказывает о физических основах резонанса и его использовании в различных областях науки и техники. Саласюк А.С. описывает резонансные акустические эффекты в тонких пленках, что может быть полезно для создания новых акустических устройств и технологий. Харланов А.В. исследует пространственно-временной резонанс и взаимодействие электромагнитных и акустических волн в тонких пленках, а также влияние электромагнитной волны на акустические колебания одномерной системы. Изотов А.В. рассматривает исследование восприимчивости и неоднородностей тонких пленок. Колесников В.Г. и Древаль Н.В. исследуют применение комбинированного воздействия электромагнитных и акустических волн для выявления резонансных частот, что может иметь применение в различных областях. Карпачев С.Н., Власов B.C., Котов Л.Н. исследуют нелинейную динамику магнитной и упругой подсистем тонкой пленки вблизи акустического резонанса, что имеет значение для разработки новых материалов и технологий для электроники и магнитной техники. Исследование опыта авторов актуально в рамках настоящей работы.
Структура работы представлена введением, основной частью из двух глав, заключением, списком использованных источников и приложением. В основе Главы 1 «Теоретические аспекты исследований электромагнитных и акустических резонансных явлений» заложено понятие и сущность электромагнитных резонансных явлений, определение и особенности акустических резонансных явлений, основы исследований электромагнитных и акустических резонансных явлений. В Главе 2 «Практическая реализация исследования электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках» представлены исходные данные исследования, процесс и результаты исследования электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках, моделирование электромагнитных и акустических резонансных явлений в тонких пленках и формирование выводов.

1 Литературно-патентный обзор. Анализ литературных источников по тематике работы

1.1 Понятие и сущность электромагнитных резонансных явлений

Тонкие пленки – тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон [8]. Они играют значимую роль в научно-технических приложениях в различных междисциплинарных областях. Тонкие пленки могут быть твердыми или жидкими (реже — газообразными). Состав, структура и свойства тонких пленок могут отличаться от таковых для объемной фазы, из которой образовалась тонкая пленка. Жидкие тонкие пленки разделяют газообразную дисперсную фазу в пенах и жидкие фазы в эмульсиях. В отличие от твердых пленок, жидкие тонкие пленки могут возникать самопроизвольно. Простота создания жидких пленок является их преимуществом перед твердыми пленками. Тонкие пленки используются как в качестве покрытий и систем охлаждения, так и в качестве составных частей электронных устройств, так как специфические физические явления, характерные только для тонких структур, оказываются полезными в таких приборах. При этом в электронике практически не используются сферические тонкие пленки, несмотря на простоту их получения. Поэтому экспериментальные и теоретические исследования о взаимодействии физических полей в сферических тонких пленках можно найти только в области воздействия физических факторов на органические тонкие пленки (клеточные мембраны).

С другой стороны, с точки зрения биоэлектроники, т. е. использования биологических материалов и объектов при создании электронных устройств, полезно знать механизмы влияния внешних факторов (например, электромагнитных волн) на эти объекты. В данной работе рассматриваются ньютоновские черные пленки (толщиной порядка микрон), которые могут быть созданы как искусственно, так и являются основой любых биологических мембран. С физической точки зрения не имеет значение происхождение этой пленки. Таким образом, полученные результаты можно с одинаковым успехом применять и в биоэлектронике, и в физической электронике. Поэтому для понимания вопроса эффективного применения

тонких пленок в электронике полезно знать информацию о воздействии электромагнитных волн на органические тонкие пленки. Такому воздействию посвящено много работ. Их анализ нужен для понимания общих моментов взаимодействия электромагнитных волн с тонкими пленками.
Математические модели механизма воздействия электромагнитных полей на биологические объекты в основном затрагивают субклеточный и клеточный уровни (например [1-5]). Воздействию электромагнитных полей на органном, организменном и других уровнях в основном посвящены экспериментальные работы [6-8].
Что касается исследования акустических колебаний, то работы, посвященные этой теме, носят дискуссионный и качественный характер [1]. Авторы не строят модель воздействия электромагнитного излучения нетепловой интенсивности на функционирование биологических объектов и не оценивают его, а предлагают наиболее вероятные механизмы этого воздействия.
В работе [2] выдвигается предположение о связи электромагнитного воздействия с электромеханическими колебаниями клеточных структур, затухание которых компенсируется энергией метаболизма. Такими структурами могут быть, в частности, элементы клеточных мембран (тонкие пленки). При скорости звука в мембране 102 – 103 м/с и характерном размере 0,01 мкм частоты упругих колебаний элементов мембран лежат в интервале 109 – 1011 Гц.
Исходным является предположение, что в живом организме и при отсутствии внешнего воздействия все или некоторая часть колебательных степеней свободы определенных биологических структур находятся в режиме автоколебаний, поддерживаемом энергией метаболизма. Действие внешнего электромагнитного излучения связано не с возбуждением автоколебаний в биоструктурах, а с изменением тех или иных характеристик уже существующих в живом организме автоколебаний, в частности, с изменением их спектра.
Любая биоструктура (молекулы белка, участки клеточных мембран и т. п.) представляет собой, с колебательной точки зрения, нелинейную систему с большим числом степеней свободы. Временные и спектральные характеристики авто-

колебаний в таких системах, как и их реакции на внешнее воздействие, могут быть весьма сложными и разнообразными. Чтобы разобраться в закономерностях такого воздействия, целесообразно, по возможности, исходить из простых моделей. Авторы [2] допускают, что автоколебания на СВЧ возникают в участках липидного остова мембраны, отделенных друг от друга крупными белковыми молекулами. Таких участков на всей поверхности мембраны, площадь которой для одной клетки составляет несколько квадратных микрон, может быть множество. Близким по структуре участкам мембран данной клетки или соседних с ней идентичных клеток соответствуют наборы нормальных колебаний с почти идентичным спектром.
Поскольку различные участки мембран взаимодействуют между собой (в частности, благодаря значительным дипольным электрическим моментам), между нормальными колебаниями с близкими частотами существует слабая связь. Простейшей моделью такой структуры может служить совокупность большого числа элементарных автогенераторов (осцилляторов), слабо связанных между собой. Всю совокупность можно разбить на несколько групп, в каждой из которых, соответствующей одному из нормальных колебаний, автогенераторы почти идентичны. Взаимодействие между автогенераторами различных групп, если их частоты не находятся в рациональном отношении друг к другу, пренебрежимо мало. В пределах каждой группы отдельные автогенераторы либо колеблются независимо друг от друга, если связь между ними слаба, а расстройка их собственных частот слишком велика, либо, при достаточно близких частотах автоколебаний, имеет место их взаимная синхронизация. В первом случае фазы колебаний различных осцилляторов распределены хаотически между –  и + , так что среднее значение суммы фаз всех автоколебаний близка к нулю. Во втором случае можно выделить два основных режима – синфазный, при котором все взаимно синхронизированные автогенераторы колеблются с одной частотой синфазно, и противофазный, при котором частоты автоколебаний также одинаковы, а фазы колебаний большинства автогенераторов распределены между –  и +  более или менее равномерно, так что сумма всех фаз близка к нулю. Установление того или иного из этих режимов зависит от степени идентичности автогенераторов, их нелинейных характеристик и типа связи между ними. Как правило, при взаимной синхронизации большого числа слегка различающихся межу собой автогенераторов устанавливается противофазный режим.
С другой стороны, взаимной синхронизации автоколебаний отдельных элементов структуры препятствует быстрое ослабление с расстоянием связей между элементами, что приводит к локализации синхронных режимов в небольших участках структуры (т. н. «кластерах»), между которыми синхронизация отсутствует.
Таким образом, как в отсутствии, так и при наличии взаимной синхронизации, автоколебания в различных участках структуры происходят так, что среднее значение суммы фаз всех автоколебаний близко к нулю. Соответственно близок к нулю и макроскопический – средний по большому числу однотипных участков эффект таких колебаний – они оказывают минимальное воздействие на другие клеточные структуры.
Ситуация, однако, может существенно измениться при воздействии на клетки внешнего электромагнитного поля. Если частота внешнего воздействия приблизится достаточно близко к частоте автоколебаний одной из упомянутых групп почти идентичных осцилляторов, произойдет «захват» (синхронизация) автоколебаний внешним сигналом. Центр полосы синхронизации определяется средневзвешенной величиной парциальных частот осцилляторов данной группы и мало зависит от отклонений парциальных частот отдельных осцилляторов. Если система связанных осцилляторов имеет несколько устойчивых автоколебательных состояний с различными частотами, то слабый внешний сигнал может синхронизировать автоколебания на нескольких близких частотах.
Синхронизация сопровождается фазировкой колебаний всех элементарных автогенераторов – фазы этих колебаний будут совпадать с фазой внешнего сигнала в данном участке структуры. Такие синфазные колебания идентичных участков клеточных мембран могут приводить к различным макроскопическим эффектам (например, к возбуждению электромагнитных или электроакустических волн в окружающей среде) и служить информационным сигналом для регуляторных систем организма.
Для любой из упомянутых выше групп автогенераторов может существовать целый набор резонансных частот, на которых воздействие внешнего сигнала приводит к одному и тому же или близким биологическим эффектам. Поскольку другие биоструктуры или структурно отличные участки мембран имеют свой спектр автоколебаний, могут наблюдаться и другие наборы частот, на которых внешний сигнал вызывает иные биологические эффекты. Аналогичная ситуация может иметь место при синхронизации на гармониках или субгармониках частот автоколебаний.
Характерной особенностью явления синхронизации автоколебаний является малая мощность требуемого для синхронизации внешнего сигнала, пороговое значение которого зависит от уровня шумов в системе и разброса парциальных частот отдельных автогенераторов. Для реальных биологических объектов величина порога зависит и от глубины расположения резонирующих структур относительно поверхности, подвергаемой электромагнитному облучению, и от интенсивности поглощения электромагнитных волн в приповерхностно расположенных тканях. Увеличение мощности внешнего сигнала над порогом не вносит качественных изменений в характер синхронизированных колебаний.
Хотя синхронизация – не единственный эффект, которым может сопровождаться воздействие внешнего гармонического сигнала на сложную автоколебательную систему, в [3] предполагается, что именно синхронизация наиболее естественно объясняет резонансное действие СВЧ излучения на живые объекты.
Фазировка колебаний при синхронизации может, по-видимому, сопровождаться конформационными перестройками клеточных структур, например, отдельных участков мембран, так как автоколебания могут влиять на устойчивость конформаций последних подобно тому, как это имеет место для механических систем.
В [4,5] была выдвинута теория, в которой предполагалось, что биологический эффект (т. е. максимальный отклик тонкой пленки на внешнее воздействие), вызванный воздействием электромагнитного излучения на биологический объект, связан непосредственно с акустическими колебаниями, возбуждаемыми этим излучением, т. е. этот эффект возникает тогда, когда электромагнитное излучение вызывает в мембране акустические колебания, длина волны которых укладывается по периметру мембраны целое число раз. Такое предположение оказалось в хорошем соответствии с теорией (см. напр. 8]).
Классическим для радиотехники приемом исследования является изучение спектров поглощения или излучения исследуемого объекта. Из-за большого поглощения энергии электромагнитного излучения (ЭМИ) в биологических средах, а так же очень малой плотности когерентных излучений снятие спектров обычными радиотехническими методами практически неосуществимо. Поэтому объектом изучения явились так называемые спектры действия – зависимость биологического эффекта действия от частоты колебаний. Исследование этих спектров было проведено в [7] исходя из предположения, что наблюдаемые частотные зависимости определяются акустическими колебаниями, возбуждаемыми в мембранах: плазматической, ядра, митохондрий и т. д. А поскольку мембраны поляризованы, то возбуждение акустических колебаний связано с одновременным возбуждением электрических колебаний, длина волны которых совпадает с акустическими – то есть с возбуждением в мембранах акустоэлектрических колебаний и волн. Расчет, исходящий из указанного предположения, привел к количественным результатам, удовлетворительно совпадающим с экспериментом для всех исследовавшихся спектров действия. Одним из важных выводов из этого расчета явился вывод о том, что длина волны в мембране для средней частоты миллиметрового диапазона имеет порядок 100 Å. Виды возбуждаемых в мембране колебаний отличаются друг от друга числом длин волн, укладывающихся на периметре (отличается друг от друга на единицу). Вид колебаний определяет характер распределения сил электромагнитного и акустического полей у поверхности мембраны. Число возможных видов колебаний для различных клеток может доходить до нескольких десятков тысяч. Каждому виду колебаний соответствует, по-видимому, свой сигнал управления (своя частота колебаний), хотя, судя по спектрам действия, отличия в действии между ближайшими видами обычно незначительны.
В [6] обращают внимание на тот факт, что акустоэлектрические колебания и волны (это такие колебания и волны, в которых, в отличие от электромагнитных колебаний и волн, энергия электрического поля превращается в энергию упругих деформаций и наоборот) играют особенно важную роль в функционировании живых тонких пленок.

1.2 Определение и особенности акустических резонансных явлений

Одной из важных задач при отыскании новых принципов, служащих для построения новых электронных приборов, является задача нахождения способов возбуждения акустических колебаний систем внешней электромагнитной волной.
Основная сложность возбуждения акустических колебаний посредством электромагнитных волн состоит в том, что скорости их распространения отличаются на несколько порядков. При возбуждении колебаний, зависящих не только от времени, но и от координат, возникает вопрос: будет ли резонанс носить только временной характер (то есть зависеть от частоты вынуждающей силы), или будет иметь значение и пространственный фактор (распределение силы по координатам).
В физической электронике в основном рассматриваются твердотельные тонкие пленки. В Европе существует Виртуальный институт по нанопленкам (VINF), который создан для объединения ученых, работающих с тонкими пленками. Рассмотрение физических процессов, проходящих в тонких пленках, полезно с точки зрения миниатюризации электронных приборов и их компонентов. Жидкие тонкие пленки изучаются или с точки зрения охлаждающих систем, или с точки зрения биоэлектронки (тонкая пленка как основа биологической мембраны). Лидером в этом направлении являются США, Германия, Япония и Израиль. В России это направление практически не развито, а подобные вопросы рассматриваются наноэлектроникой [2, 8].
Одним из пионеров акустоэлектроники является академик Гуляев Ю.В. О существовании акустоэлектрических колебаний биологической клетки впервые было заявлено Фрелихом Г. (Fröhlich H.) [9]. В нашей стране большая плеяда ученых рассматривала влияние электромагнитных волн на биологические объекты (Девятков Н. Д., Пресман А. С., Бецкий О. В. и др.) [10 – 16]. О возможной роли акустических колебаний плазматических мембран писал Голант М. Б. Недавно существование акустических колебаний клеток плесени было экспериментально обнаружено в Калифорнийском университете (Pelling A. E., Sehati S., Gralla E. B., Valentine J. S., Gimzewski J. K.) [17], также акустические колебания рассматривались в Чешской Академии Наук (Cifra M., Pokorný J.) [8].

1.3 Основы исследований электромагнитных и акустических резонансных явлений

В настоящее время моделям органической тонкой пленки (клетки) и влиянию на нее электромагнитного излучения низкой интенсивности посвящено небольшое количество работ.
В [6] на основе расчетных и экспериментальных данных рассмотрены эквивалентные схемы замещения клеточной мембраны, клетки и клетки с учетом межклеточной среды. Проведен анализ характеристических уравнений и частотных характеристик эквивалентных схем замещения. Авторы рассматривают эквивалентные схемы замещения клеточных структур, предложенные разными учеными, в частности, Чайлахяном Л. М., Пресманом А. С. и др. Клеточная мембрана, протоплазма и межклеточная жидкость представлены в виде различных соединений емкостных, индуктивных и резистивных элементов.
Предложенные модели клеточных структур, анализируемые в [36], результаты расчета их параметров и анализа частотных характеристик наиболее адекватно, по мнению авторов, отражают электрические процессы, происходящие в мембранах и клетках, по сравнению с другими известными моделями. Однако приведенные результаты показывают внутренние процессы клеточных структур как бы в «статике» и без учета действующих внешних электрических и магнитных полей.
В [7] рассмотрены физические свойства биоклетки, на основе которых построена ее модель, учитывающая внешние воздействия на биоклетку. Основное внимание авторы уделяют лечению больных клеток в зависимости от дозы химического (лекарства), радиационного (, и излучение) и электромагнитного воз действий. Основным интегральным параметром при этом является положительный либо отрицательный эффект (выздоровление либо гибель клетки) в зависимости от вводимой дозы.
При построении модели использовался метод «черного ящика», то есть моделирование клетки производится, не вникая в ее сложные физикохимические процессы, а используя только функциональные свойства, заведомо хорошо изученные.
Модель биоклетки состоит из ядра, выполняющего функции обработки ин формационного сигнала, наследственности, деления, смерти и рождения новых клеток, а также внешней и внутренних мембран, роль которых сводится к вводу (выводу) информационных сигналов. Связь между ядром и мембранами осуществляется через биоключ, формирующийся в ионном растворе с большим разнообразием рецепторов, заполняющих пространство между ядром и мембранами.
Основную информационную нагрузку несет ядро (по аналогии с микропроцессором в вычислительном комплексе). В ядре синтезируются функции наследственности, рождения, формирования материального (телесного) образа и многие другие, на основе заложенных в них природой кодированных информационных матриц.
При внешнем воздействии наибольший эффект достигается при введении че рез внешний канал связи сверхмалых доз электромагнитного поля (менее 10 мВт/см2) миллиметрового диапазона. Больные клетки излучают электромагнитные волны, тем самым предупреждая здоровые клетки об опасности заболевания. Здоровые клетки, в свою очередь, увеличивают энергию излучения волн на собственных (тактовых) частотах (65,1; 53,6; 42,25 ГГц) с целью обеспечения защиты. Здесь можно оказать помощь путем введения через канал синхронизации электромагнитного поля на указанных частотах [6].
В [8] биоклетка представлена в виде шара, заполненного цитоплазмой. Шар окружен тонкой стенкой, которая является мембраной. Если рассматривать данную систему как резонатор, то вполне очевидно, что она обладает спектром резонансных частот. Размер самой клетки составляет величину порядка 1 мкм, а мембраны – порядка 10 нм [6].
В общем случае можно считать, что цитоплазма по своим характеристикам близка к воде. Мембрана обладает упругими характеристиками – модулем упругости при двумерном растяжении в плоскости мембраны (характеризует силы, возникающие в мембране при изменении площади ее поверхности) и модулем поперечной упругости (характеризует силы, возникающие в мембране при изменении ее толщины). По поверхности мембраны, как с внешней стороны, так и с внутренней равномерно распределены заряды, общая величина которых составляет 10–13 – 10–14 Кл. Эта модель применима даже в большей степени не к живой сферической тонкой пленке (клетке), а к любой искусственной органической или неорганической сферической тонкой пленке.
Из всех приведенных выше моделей видно, что для теоретической оценки резонансных частот акустических колебаний биологической клетки подходит только последняя.
Также активно развивается новая область изучения биологического действия электромагнитных волн – действие сверхмалых доз, модулированных сигналов и воздействие с точки зрения автоколебательных процессов, что полезно не только с точки зрения биоэлектроники, но и медицины [9]. Данные многочисленные исследования показывают большую эффективность таких воздействий.
При поиске механизмов воздействия электромагнитных волн на живые организмы также большой интерес представляет задача поиска в них таких систем, которые наиболее подвержены электромагнитному излучению. Очевидно, что большое влияние электромагнитные волны будут оказывать на каналы связи отдельных организмов и организма, как целого. У животных за это отвечает нервная система [10]. Несмотря на то, что растения не обладают таким эффективным проводником электрических импульсов, как нервная система у животных, тем не менее, удалось выявить, что в растениях возникают электрические сигналы в ответ на внешние воздействия [12]. Уже в начале XX века этим вопросом занимался Д. Бос [13]. Д. Бос проводил опыты на стыдливой мимозе, которая, так же, как и насекомоядные растения, проявляет способность к быстрым движениям в ответ на механическое раздражение. Используя весьма чувствительную экспериментальную технику, Д. Босс установил, что раздражение листа мимозы вызывает возникновение в черешке электрических импульсов, которые, распространяясь до листовых подушечек, приводят к их сокращению и опадению листа. Электрические импульсы в черешке мимозы оказались очень похожими на те, которые возникают в ответ на раздражение у животных.
В этих опытах были получены данные, показывающие, что весьма быстрые электрические ответные реакции на внешние раздражители можно наблюдать и у некоторых высших растений. Однако решающее значение в подтверждении этого положения сыграли работы И. И. Гунара и его школы [15], выполненные в 60х годах. Они показали, что способность отвечать на внешние раздражители генерацией электрических импульсов, распространяющихся по растению и очень напоминающих потенциалы действия в нервах, свойственна всем высшим растениям.
Набор раздражителей, вызывающих появление электрического сигнала, весьма разнообразен. Это может быть изменение температуры, механическое воз действие, облучение участка растения светом различного спектрального состава и так далее. При этом в ряде случаев клетки растений способны отвечать генерацией электрических сигналов на такие воздействия, которые кажутся чрезвычайно слабыми. Например, понижение температуры от 23°С всего на 1 – 2°С вызывало гене рацию распространяющихся электрических сигналов в стебле тыквы [16]. Таким образом, в естественной обстановке возникновение электрических сигналов у растений должно быть связано с действием не только сильных, повреждающих факто ров, но и весьма слабых изменений в окружающей среде, которые постоянно наблюдаются в естественных условиях.
Удалось выявить три типа электрических сигналов, возникающих у растений в ответ на внешние воздействия. Первый тип – это потенциалы действия (ПД). На рисунке 1.1 а, б представлены записи ПД стебля тыквы и аксона кальмара. Видно, что внешне они очень сходны и состоят из двух ветвей: восходящей (или фазы де поляризации, во время которой происходит уменьшение потенциала возбудимой мембраны) и нисходящей (или фазы реполяризации, в ходе которой мембранный потенциал восстанавливается до исходного уровня). Амплитуда обоих ПД составляет несколько десятков милливольт.
Второй тип электрических сигналов у высших растений – это так называемые вариабельные потенциалы (ВП), которые возникают при действии весьма сильных раздражителей (ожог, механическое повреждение ткани). Как видно из рисунка 1.1 в, они лишь частично напоминают ПД. Как и у ПД, у них четко наблюдается фаза деполяризации. Однако фаза реполяризации очень растянута. ВП имеют природу, несколько отличную от природы ПД. Наконец, с помощью специальной чувствительной техники у высших растений были зарегистрированы микроритмы (рисунок 1.1 г), которые имеют очень небольшую амплитуду (обычно несколько микровольт) и носят весьма нерегулярный характер. Природа микро ритмов пока остается неясной [101].

Рисунок 1.1 – Типы импульсной электрической активности у высших растений: а – потенциал действия, в – вариабельный потенциал, г – микроритмы.
Для сравнения приведена запись потенциала аксона кальмара (б)

Кроме этого канала связи, можно выделить канал, который реализуется путем излучения организмами (в частности, клетками) электромагнитных волн [9]. Был исследован феномен дистантных межклеточных информационных взаимодействий, обусловленных электромагнитным излучением [13].
Таким образом, экспериментальные данные об электромагнитном отклике живых объектов свидетельствуют о возможности их потенциального применения в биоэлектронике в качестве различных детекторов. Однако процесс взаимосвязи электромагнитного излучения и реакции организма остается неизученным.
Одной из гипотез является наличие механизма передачи электромагнитного излучения посредством пространственно-временного резонанса, заключающегося в равенстве длин волн акустических и электромагнитных колебаний. Понятие пространственно-временного резонанса не ново. Оно используется в физике плазмы при рассмотрении взаимодействия волн в плазме [15]. Также это применимо в других волновых взаимодействиях [16]. Это взаимодействие основано на резонансе трёх волн: биение, образованное двумя волнами, попадает в резонанс с третьей волной. В этом случае необходимо одновременное выполнение условий как временного резонанса:

i и ki – соответственно частоты и волновые векторы резонансно взаимодействующих волн. Условие временного резонанса (помноженное на постоянную Планка h) совпадает с условием распада элементарного возбуждения на два других. Условия резонанса, соответственно, являются законом сохранения энергии и импульса. Поэтому их часто называют распадными условиями, а соответствующий процесс – распадным взаимодействием волн. Однако, в этом случае, взаимодействующие волны имеют одинаковую природу. В случае взаимодействия электромагнитных и акустических волн, их природа будет различной, и условие про странственно-временного резонанса будет записываться иначе. Для плазмы, условие этого резонанса выводится из уравнений, описывающих плазму. В дан ной работе показано, что понятие пространственно-временного резонанса более широко, и не привязано к природе взаимодействующих волн. К тому же, в плазме этот резонанс относится к нелинейным явлениям.
В современной акустоэлектронике пространственно-временной резонанс не используется в явном виде, но применяется косвенно – так при конструировании встречно-штыревых преобразователей расстояние между соседними штырями равно половине длины волны, возбуждаемой ими поверхностной акустической волны [17]. При этом электрическое поле создается не электромагнитной волной, а приложенным к штырям электрическим напряжением.

Для теоретического рассмотрения взаимодействия физических полей в сферических тонких пленках необходимо воспользоваться уравнениями классической физики.
Для нахождения собственных частот электромагнитных колебаний сферических тонких пленок нужно использовать векторное уравнение Гельмгольца в криволинейных координатах:
где k – волновое число,  – оператор Лапласа. Сшивая решение этого уравнения на границе тонкой пленки можно найти собственные частоты ее электромагнитных колебаний.
Для нахождения собственных частот акустических колебаний сферических тонких пленок нужно использовать уравнения акустики.

Страницы: 1 2