CC BY
43
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В РАСТЕНИЯХ С
ПОМОЩЬЮ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Морозов А.В.1, Морозов В.В.2 Email: Morozov687@scientifictext.ru
'Морозов Алексей Владимирович — кандидат физико-математических наук, старший преподаватель, кафедра микроэлектроники и общей физики, Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова; Морозов Владимир Васильевич - доктор физико-математических наук, профессор,
кафедра физики, Ярославский государственный технический университет, г. Ярославль
Аннотация: в статье приведены результаты исследований соединений железа в живом веществе. Проведены исследования магнитной восприимчивости, намагниченности и начальной магнитной восприимчивости образцов методом Фарадея-Сексмита. При помощи мессбауэровской спектроскопии оценены размеры исследованных частиц. Выявлено что многие исследованные нами растения концентрируют железо в виде мелкодисперсных гидроксидов железа, все изученные растения содержат небольшие количества наночастиц сильномагнитных соединений железа, типа магнетита.
Ключевые слова: наночастицы оксидов и гидроксидов железа, наночастицы магнетита, железоорганические соединения, магнитная восприимчивость соединений железа.
IDENTIFICATION OF IRON COMPOUNDS IN PLANTS BY MEANS OF MAGNETIC MEASUREMENTS Morozov A.V.1, Morozov V.V.2
'Morozov Alexey Vladimirovich — PhD in Physical and Mathematical Sciences, Senior Lecturer, DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS AND GENERAL PHYSICS, YAROSLAVL STATE UNIVERSITY BY P.G. DEMIDOV, Morozov Vladimir Vasilievich — D.Sc. in Physical and Mathematical Sciences, Professor, DEPARTMENT OF PHYSICS, YAROSLAVL STATE TECHNICAL UNIVERSITY, YAROSLAVL
Abstract: the article presents the results of studies iron compounds in living matter. The magnetic susceptibility, magnetization, and initial magnetic susceptibility of the samples were studied by the Faraday-Sexmith method. The particle sizes were studied with the help of Mossbauer spectroscopy. We found that numerous plants concentrate iron in the form of finely dispersed iron hydroxides. All of studied plants contain small amounts of nanoparticles of strongly magnetic iron compounds, such as magnetite.
Keywords: nanoparticles of iron oxides and hydroxides, magnetite nanoparticles, organometallic compounds, magnetic susceptibility of iron compounds.
УДК 544.226
Попытки определить форму и минералогические особенности соединений железа в живом веществе делались многими авторами [1-5] с помощью различных методов.
Так, например, Дж. Фасбиндер [4] и Б. Московитц [5], используя сверхвысокочувствительные магнитные измерения, показали, что сильномагнитное соединение в большинстве магнитотаксических микроорганизмов представлено стехиометрическим магнетитом с преимущественно однодоменным размером частиц. Наиболее полно эта проблема обсуждается в сборнике работ американских авторов под общей редакцией Дж. Киршвинка, Д. Джонса и Б. Мак-Фадена [3]. В таком состоянии частицы магнетита обладают максимальной намагниченностью и коэрцитивной силой (рис. 1), и поэтому их легче обнаружить, и они лучше чувствуют магнитное поле.
СП
сл ; • ♦ 1 ^ ♦ / * пол мд
/ 1 1 : 1
-03 "0.5
-I
1
Радмго частиц
Ю Чт
100
Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы от размеров частиц магнетита [3]
Экспериментальные данные и теоретические расчеты приводят к следующим диапазонам доменных состояний частиц магнетита: суперпарамагнитные - (3-6) нм^ет<(29-35) нм; однодоменные - (30-35) нм^ж<(75-85) нм; псевдооднодоменные - (80-100) нм^РЯЗ<(10000) нм и многодоменные dMD>10 мкм.
Основываясь на большом количестве исследований живых организмов способных синтезировать магнетит логично предположить, что он является одним из основных носителей стабильной остаточной намагниченности большинства осадочных отложений. Палеомагнитные исследования морских осадков подтвердили эту гипотезу. Для большинства фанерозойских отложений характерно наличие в них мелкодисперсного магнетита, который является индикатором окислительно-восстановительных условий во время отложения осадка.
В тоже время, исследования магнетизма и форм соединений железа в растениях практически не проводились из-за их низкой концентрации и слабой чувствительности применявшихся методов. Учитывая особенности магнитного состояния высокодисперсного магнетита, изложенные выше, высказана идея его обнаружения в растениях с помощью высокочувствительных магнитных измерений.
Объекты и методы
Измерения магнитной восприимчивости, намагниченности и других магнитных параметров широко применялись различными учеными в почвенной минералогии, а также и в минералогии горных пород [1]. Проведенные исследования и анализ научных публикаций показали важность сведений о магнитных свойствах природных объектов в геофизике и почвоведении.
В состав твердой фазы горных пород и почв, почвенных минералов, новообразований, органического и живого вещества входят самые различные типы магнетиков: слабые и сильные магнетики, диамагнетики и парамагнетики, ферромагнетики и антиферро- и ферримагнетики. Сюда еще необходимо добавить суперпарамагнитное состояние вещества, которое возникает при уменьшении размеров частиц магнитоупорядоченных веществ [1]. В общем случае магнитную восприимчивость исследуемого образца, учитывая его сложный вещественный и минералогический состав, можно при данной температуре выразить формулой:
+ С
ф + Су , (1)
антиферро суперпар&ь суперпара
у = C у + С у + С у
диа/\> диа пар^>пара феррит ферри
где С{ и у - концентрации и восприимчивости соответствующих форм соединений
железа в образце. Восприимчивость образцов, содержащих магнитоупорядоченные вещества, зависит от напряженности магнитного поля. При больших полях (насыщение) изменяется примерно обратно пропорционально напряженности магнитного поля, поэтому магнитную восприимчивость почвенного образца можно приближенно выразить формулой:
, ^ , (2) п
где у - удельная магнитная восприимчивость образца при экстраполяции к бесконечно большим полям, Н - напряженность магнитного поля, - удельная намагниченность насыщения образца. Граница больших полей для разных магнетиков различная: для ферро- и ферримагнетиков Нгр составляет 50-1000 Э, для антиферромагнетиков - 20-50 кЭ и для парамагнетиков 400-500 кЭ.
В восприимчивость дают вклад парамагнитные и диамагнитные соединения, а также вещества в суперпарамагнитном состоянии. Намагниченность а3 пропорциональна концентрации и намагниченности насыщения сильномагнитных минералов. Восприимчивость Х„ в основном определяется концентрацией и магнетизмом парамагнитных минералов содержащихся в образце.
При малых значениях намагниченности образца восприимчивость ферромагнетика приблизительно постоянна [1] и равна начальной магнитной восприимчивости %0. Начальная магнитная восприимчивость характеризует обратимые процессы намагничивания. Для однодоменных частиц начальная магнитная восприимчивость, обусловленная процессами вращения, весьма приближенно выражается формулой:
2
% = ^, (3)
ър
где р - константа преобладающей анизотропии. Для многодоменных частиц %0 аналогичным образом зависит от 13 и определяется, в основном, подвижностью доменных границ [1]. Температурная зависимость начальной магнитной восприимчивости Хо(Т) имеет резкий максимум вблизи точки Кюри (эффект Гопкинсона), что дает возможность использовать ее для диагностики ферримагнитных минералов в горных породах и почвах.
Методы измерения магнитных характеристик и аппаратура весьма разнообразны и подробно описаны в научной литературе. Следует отметить, что система регистрации большинства известных установок рассчитана лишь на образцы, содержащие достаточное количество сильномагнитных минералов. Для многих слабомагнитных образцов (алюмосиликаты, органическое вещество, глины, бактериальные препараты, растения) чувствительности не хватает [1]. Гораздо предпочтительнее для почвенных образцов использовать чрезвычайно чувствительный метод Фарадея-Сексмита, основанный на измерении силы, действующий на образец в неоднородном магнитном поле [1]. Этот метод позволяет измерять магнитную восприимчивость и намагниченность образца. Он позволяет также измерять и начальную магнитную восприимчивость образца %0.
Для изучения зависимости магнитной восприимчивости образцов от напряженности магнитного поля была использована автоматизированная установка магнитных измерений, созданная на кафедре физики Ярославского государственного технического университета [1]. Общая чувствительность данной установки по удельной магнитной восприимчивости составляет ±0,01-10-6 см3/г, а по удельной намагниченности - ±0,1 -10-3 Гс-см3/г.
Результаты измерений
Нами проведены измерения удельной магнитной восприимчивости % образцов дикорастущих и культурных растений в суховоздушном варианте и в высушенном при 1500С виде. Исследованы также образцы, высушенные на воздухе после отваривания при 1000С (табл. 1). Удельная магнитная восприимчивость для большинства исследованных нами образцов при больших магнитных полях отрицательна, а ее значения имеют величину порядка 10-6 см3/г. Однако, практически все образцы обладают не нулевой намагниченностью насыщения, свидетельствующей о наличии в образцах небольшого количества сильномагнитных соединений железа. Разброс в значениях указывает на разброс в размерах частиц, либо на различие в содержании сильномагнитных соединений железа. Так как все исследованные нами растения даже при температуре съемки 80 К имеют мессбауэровские спектры в виде дублета (2). Отсюда вытекает задача или продолжить эксперименты по МС в области гелиевых температур, или проводить различные предварительные обработки образцов.
Таблица 1. Магнитная восприимчивость у и намагниченность насыщения о,, растений с различной
обработкой
Растение\ вид обработки Воздушно-сухие Гидротермальная обработка, 100оС, 50 часов Отжиг на воздухе, 450-600оС, 1,5 часа
у 10-6 см3/г о, 10-3 Гс-см3/г у 10-6 См3/г о, 10-3 Гс-см3/г у 10-6 см3/г о, 10-3 Гс-см3/г
Мята - 0,23 1,10 - 0,22 2,00 5,44 81,0
Мята (стебли) - 0,25 0,71 - 0,27 3,22 - -
Зверобой - 0,37 0,63 - 0,32 0,54 - -
Зверобой (листья) - 0,29 0,79 - 0,46 1,35 - -
Дудник - 0,36 0,00 - 0,46 0,73 - -
Дудник (листья) - 0,30 0,39 - 0,45 1,34 - -
Валериана (корень) - 0,24 0,39 - - 13,7 119,5
Календула - 0,46 1,71 - - 1,5 48,1
Крапива - 0,34 2,05 - - 0,81 12,8
Лапчатка - 0,31 0,23 - 0,39 0,68 - -
Боярышник - 0,19 0,98 - 0,22 1,32 - -
Аир - 0,27 0,82 - 0,36 1,41 - -
Сельдерей - 0,28 1,13 - 0,42 1,67 3,08 50,8
Ива (листья) - 0,27 1,36 - 0,31 1,86 4,20 16,2
Береза (лист) - 0,24 1,33 - 0,24 1,42 4,50 48,5
Вяз (листья) - 0,24 1,79 - - - -
Ель (хвоя) - 0,32 0,53 - - - -
Сосна (хвоя) - 0,34 0,75 - - - -
Туя (хвоя) - 0,20 2,36 - - - -
Лавровое дерево (листья) - 0,29 2,55
Ферритин 0,18 2,59 - - 1,92 7,58
Отсутствие сверхтонкой структуры в мессбауэровских спектрах растений, может свидетельствовать как о малом содержании магнитоупорядоченных железосодержащих соединений, так и о малых суперпарамагнитных размерах частиц этих соединений. Заметим, что наличие зависящего от поля вклада в магнитную восприимчивость растений должно связываться с существованием частиц именно магнитоупорядоченных соединений железа. Более подробные данные измерений размеров частиц приведены в работе [6].
Полученные нами данные указывают на постоянство магнитных характеристик растений одного вида, взятых с одного участка, и на заметное количественное различие для образцов таких растений из разных местностей. В работе [2] на эту тему было начато изучение влияния окружающей среды на магнитные свойства растений. Исследования образцов крапивы показали, что для городских растений величина ох=3,0-10"3 Гс-см3/г на порядок превышает аналогичный показатель сельских образцов (о3 = (0,2-0,3)-10-3 Гс-см3/г).
Для получения дополнительной информации о формах соединений железа в растениях нами проводились гидротермальная обработка и высокотемпературный отжиг некоторых образцов до различных температур Тотж (Табл. 2).
При отжиге происходят различные превращения соединений железа и в первую очередь переход гидроксида железа из суперпарамагнитного состояния к магнитоупорядоченному состоянию из-за роста кристаллов при нагревании и при отжиге до 3000С и выше, что и приводит к появлению не нулевого значения о3. Дальнейший отжиг в атмосфере распадающегося органического вещества сопровождается частичным восстановлением ионов Fe3+ до Fe2+ и в итоге к формированию оксида типа магнетита, что будет сопровождаться сильным возрастанием о3. По мере выгорания органического вещества и перехода восстановительной атмосферы в окислительную магнетит должен переходить в гематит. Во всех случаях при Тотж > 3000С наблюдалось изменение знака у и возрастание о3.
Таблица 2. Магнитная восприимчивость %„ и намагниченность насыщения о, растений отожженных
до разных температур
Образец/ температура отжига 105 ОС 300 ОС 650 ОС 800 ОС
см3/г Os,10-3 Гссм3/г см3/г OS,10-3 Гссм3/г х«10-6 см3/г OS,10-3 Гссм3/г Z«,10-6 см3/г OS,10-3 Гссм3/г
Береза (лист) -0,24 1,42 0,02 4,23 2,15 7,24 0,55 2,00
Эвкалипт (лист) -0,03 4,17 0,61 3,58 1,16 3,92 1,16 10,25
Мята (лист) -0,28 2,51 2,62 59,31 0,87 10,07 0,43 0,87
Сельдерей -0,28 2,52 2,29 50,06 1,18 20,68 0,03 2,24
Рябина красная (плод) -0,14 1,62 - - 1,62 58,35 - -
Рябина черноплодная (плод) -0,51 2,47 -0,37 0,76 2,01 56,07 0,38 0,00
Морковь (корнеплод) -0,39 0,18 -0,13 3,23 -0,06 1,41 -0,14 0,40
Свекла (корнеплод) -0,20 0,00 0,36 2,30 0,29 2,16 - -
Чай индийский 0,13 1,21 4,27 34,51 4,71 34,00 4,32 42,84
Ферритин 0,18 2,59 1,92 7,58 49,17 202,6 21,00 178,0
Полученные результаты, указывающие на наличие в большинстве образцов зависящего от напряженности магнитного поля вклада в восприимчивость, могут отражать наличие ферритиноподобных структур в исследованных растениях [7-9]. Температура Тотж, соответствующая максимальным значениям aS, несколько различна для разных растений и определяется, видимо, влиянием на указанные выше превращения особенностей химического состава ферритиновых ядер клеток растений. Отваривание сырья при 1000С приводит к повышению абсолютной величины отрицательной восприимчивости на 30%, что может быть связано с изменением структуры (денатурацией) белков и перестройкой структуры глобул молекул или с выходом в раствор железоорганических соединений. ВЫВОДЫ
С помощью магнитных измерений и мессбауэровской спектроскопии показано, что многие исследованные нами растения концентрируют железо в виде мелкодисперсных гидроксидов железа. Этот экспериментальный факт является дополнительным подтверждением гипотезы о том, что высокодисперсные частицы оксидов и гидроксидов железа являются результатом деятельности живого вещества почв. Кроме того установлено, что все изученные растения содержат небольшие количества наночастиц сильномагнитных соединений железа, типа магнетита. Его количество не превышает 0,02% по массовому содержанию в сухом образце.
Список литературы / References
1. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О., Иванов А.В., Морозов В.В. Магнетизм почв. Москва-Ярославль: Изд-во РФФИ-ЯГТУ, 1995. 223 с.
2. Бабанин В.Ф., Васильев С.В., Морозов В.В., Пухов Д.Э. Мессбауэровские и магнитные данные о возможном магнитном упорядочении соединений железа в растениях // Тез. докл. VIII Междун. конфер. «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения». СПб: НИИХ СПбГУ, 2002. С. 183.
3. Биогенный магнетит и магниторецепция. Под ред. Дж. Киршвинка и Б. Мак Фадена. М.: Мир, 1989. Том 1. 307 с. Том 2. 376 с.
4. Fassbinder J.W.E., Stanjek H., Vali H. Occurrence of magnetic bacteria in soil // Nature, 1990. Vol. 343. P. 161-163.
5. Penninga I., De Waard H., Moskowitz B.M., Bazylinski D.A., Frankel R.B. Remanence measurements on individual magnetotactic bacteria using a pulsed magnetic field // Magnent. & Magn. Mater, 1995. Vol. 149. P. 279-286.
6. Морозов А.В., Морозов В.В. Изучение природных систем наночастиц оксидов и гидроксидов железа с помощью Мессбауэровской спектроскопии и магнитных измерений // Вестник науки и образования, 2018. №4 (40). С. 7-11.
7. Бабанин В.Ф., Бакулин Л.М., Галанина Е.Н., Морозов В.В., Морозов А.В. Моделирование биосинтеза нанокластеров природного магнетита // Сб. трудов XX Междунар. научн. конф. Математические методы в технике и технологиях. Т.7. Ярославль: ЯГТУ, 2007. С. 108 - 110.
8. Морозов А.В., Галанина Е.Н., Бакулин Л.М. Вклад живого вещества в состав вторичных железистых минералов почв // Сб. трудов XX Междунар. научн. конф. Математические методы в технике и технологиях. Т.7. Ярославль: ЯГТУ, 2007. С. 113 - 116.
9. Бабанин В.Ф., Горовой Ю.М., Залуцкий А.А., Иванов П.А., Морозов А.В. Диагностика ферритина в живом веществе методами магнетометрии // ПЖТФ, 2012. Т.38. В.5. С. 78 - 84.
ПЛОТНОСТЬ МАССЫ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ. ФИЗИКА
БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ Похмельных Л.А. Email: Pokhmelnykh687@scientifictext.ru
Похмельных Лев Александрович - кандидат физико-математических наук,
физический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва
Аннотация: изложены основы физики близкодействия. Представления физики использованы для определения плотности массы в космосе двумя методами. В методе 1 использована возможность замены измерения плотности массы на измерение плотности заряда с помощью выведенного закона всемирного равновесия зарядов и масс. Для определения плотности заряда в космосе использованы измерения потоков протонов и электронов со спутника GOES. В методе 2 применено полученное выражение связи плотности массы в космосе с периодом солнечного цикла. Рассчитанная плотность массы темной материи в космосе методом 1: ps = (1,7 ± 0,7) .10-16 г/см3, методом 2: ps > 1,4.10' 17 г/см3. Приводятся аргументы в пользу темной материи, состоящей из газа водорода и водородных кластеров, сформированных на электронах.
Ключевые слова: физика, близкодействие, взаимодействие, протоны, гравитация, равновесие, заряд, поле, космическая среда, плотность массы, темная материя.
DARK MATTER MASS DENSITY. SHORT-RANGE PHYSICS
Pokhmelnykh L.A.
Pokhmelnykh Lev Alexandrovich — Candidate of Physical and Mathematical Sciences, PHYSICAL DEPARTMENT, LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY, MOSCOW
Abstract: basics of short-range physics are presented. The new physics used to determine the density of dark matter in space by two methods. Method 1 is seizing the opportunity to replace the measurement of mass density in space with charge density using the derived universal law of charges and masses equilibrium. To determine charge density in space the measurements of fluxes of protons and electrons from the GOES satellite were used. Method 2 is based on derived relationship of space mass density with 22-years sun cycle period. Result of method 1: mass density in space ps = (1,7 ± 0,7) .10-16 g/ cm3; method 2: ps > 1,4.10-17 g/cm3. Arguments are presented that dark matter is mainly composed of hydrogen - gas and hydrogen clusters formed on electrons.
Keywords: short-range, physics, interaction, protons, gravity, equilibrium, charge, field, space environment, mass density, dark matter.
УДК 530+524+523
Введение.
Вот уже более 80 лет в астрофизике продолжаются дискуссии на тему плотности межзвездной материи [1]. Принятая плотность массы 10-24 г/см3 и используемые физические представления не позволяют количественно описать многие явления в космосе. Совокупность фактов в космосе приводит к выводу о значительно большей плотности космической среды и о вероятном участии электричества в космических процессах [2]. Предполагаемая высокая плотность массы космоса даже получила свое название - темная материя. Современная физика, построенная на законах Ньютона и Кулона, записанных в представлениях давно оставленного
