Extracellular electrical signals in a neuron-surface junction: model of heterogeneous membrane conductivity

Signals recorded from neurons with extracellular planar sensors have a wide range of waveforms and amplitudes. This variety is a result of different physical conditions affecting the ion currents through a cellular membrane. The transmembrane currents are often considered by macroscopic membrane models as essentially a homogeneous process. However, this assumption is doubtful, since ions move through ion channels, which are scattered within the membrane. Accounting for this fact, the present work proposes a theoretical model of heterogeneous membrane conductivity. The model is based on the hypothesis that both potential and charge are distributed inhomogeneously on the membrane surface, concentrated near channel pores, as the direct consequence of the inhomogeneous transmembrane current. A system of continuity equations having non-stationary and quasi-stationary forms expresses this fact mathematically. The present work performs mathematical analysis of the proposed equations, following by the synthesis of the equivalent electric element of a heterogeneous membrane current. This element is further used to construct a model of the cell-surface electric junction in a form of the equivalent electrical circuit. After that a study of how the heterogeneous membrane conductivity affects parameters of the extracellular electrical signal is performed. As the result it was found that variation of the passive characteristics of the cell-surface junction, conductivity of the cleft and the cleft height, could lead to different shapes of the extracellular signals

A general approximation of quantum graph vertex couplings by scaled Schroedinger operators on thin branched manifolds

We demonstrate that any self-adjoint coupling in a quantum graph vertex can be approximated by a family of magnetic Schroedinger operators on a tubular network built over the graph. If such a manifold has a boundary, Neumann conditions are imposed at it. The procedure involves a local change of graph topology in the vicinity of the vertex; the approximation scheme constructed on the graph is subsequently `lifted' to the manifold. For the corresponding operator a norm-resolvent convergence is proved, with the natural identification map, as the tube diameters tend to zero.Comment: 19 pages, one figure; introduction amended and some references added, to appear in CM

Уточнення термодинамічної моделі рафінування конвертерної ванни під час продувки через триярусну кисневу фурму

Проблематика. В современных условиях кислородно-конвертерный процесс является основным способом производства металлопродукции массового назначения. При этом в связи с дефицитом качественных шихтовых материалов особенно актуальны ресурсо- и энергосберегающие технологии. Для оптимизации конвертерного производства стали в современных условиях перспективным является использование усовершенствованных по сравнению с известными конструкций кислородных фурм для верхней продувки. Цель исследования. Получение информации о термодинамической модели продувки конвертерной ванны через трехъярусную фурму с уточнением закономерностей протекания окислительных процессов в пределах реакционной зоны 160-тон­ного промышленного конвертера. Методика реализации. Проведенный анализ носит теоретический характер и базируется на определении влияния температуры и давления на закономерности протекания окислительных процессов в пределах реакционных зон, сформированных при внедрении кислородных струй в объем металлической ванны, вспененной шлакометаллической эмульсии и отходящих газов в рабочем пространстве конвертера. В качестве термодинамического параметра для оценки вероятности протекания химических реакций была использована энергия Гиббса. При этом влияние давления на окислительные процессы в конвертерной ванне оценивали в соответствии с формулой Вант-Гоффа. Результаты исследования. Представлены термодинамические особенности протекания окислительных процессов в ванне 160-тонного кислородного конвертера при использовании трехъярусной фурмы. Для первичной реакционной зоны характерно протекание реакций окисления марганца, кремния, углерода, железа газообразным кислородом. Во вторичной реакционной зоне протекают химические реакции окисления кремния и углерода растворенным в металле кислородом, а также восстановления оксида железа углеродом. Наличие или отсутствие на поверхности расплава шлаковой фазы практически не влияет на вероятность протекания химических превращений в пределах как первичной, так и вторичной реакционных зон. Для вторичных дополнительных кислородных струй характерно окисление оксидных составляющих шлаковой и газовой фаз. Выводы. Уточнена термодинамическая модель окислительных процессов в первичной и вторичной реакционных зонах, образованных при взаимодействии с ванной 160-тонного конвертера сверхзвуковых и звуковых кислородных струй, вытекающих из раздельных групп сопел (Лаваля и цилиндрических) наконечника верхней трехъярусной фурмы.Background. In modern conditions, the BOP-process is the main method of mass use steel product production. At the same time, due to the shortage of high-quality charge materials, resource and energy-saving technologies are particularly relevant. To optimize the BOP-process under modern conditions, it is promising to use improved oxygen lances for top blowing in comparison with known designs. Objective. An important stage in the development of advanced steel production technologies is obtaining information on the thermodynamic model of blowing a converter bath through a three-tier lance with the elaboration of the regularities of oxidation processes within the reaction zone of a 160-ton industrial converter. Methods. The analysis that was carried out has a theoretical nature and is based on the definition of the influence of temperature and pressure on the regularities of oxidation processes within the reaction zones formed when oxygen jets are introduced into the volume of a metal bath, foamed slag-metallic emulsion and waste gases in the working space of the converter. As a thermodynamic parameter, the Gibbs energy was used to estimate the probability of chemical reactions. The pressure effect on the oxidation processes in the converter bath was evaluated in accordance with the Van’t Hoff formula. Results. The thermodynamic features of oxidation processes in the 160-ton BOF bath using a three-tier lance are presented. Primary reaction zone is characterized by the occurrence of oxidation of manganese, silicon, carbon, and iron by gaseous oxygen. In the secondary reaction zone there are chemical reactions of the oxidation of silicon and carbon dissolved in the metal by oxygen, as well as the reduction of iron oxide by carbon. The presence or absence of a slag phase on the melt surface practically does not affect the occurrence probability of chemical transformations within the boundary of primary and secondary reaction zones. The additional secondary oxygen jets are characterized by oxidation of the oxide components of the slag and gas phases. Conclusions. During the research it was clarified the thermodynamical model of the oxidation processes in primary and secondary reaction zones, that were formed due to the interaction of 160-ton BOF bath with the supersonic and sonic oxygen jets flowing out of the separate groups of nozzles (of Laval and cylindrical shapes) of top three-level oxygen lance.Проблематика. У сучасних умовах киснево-конвертерний процес є основним способом виробництва металопродукції масового призначення. При цьому у зв’язку з дефіцитом якісних шихтових матеріалів особливо актуальними є ресурсо- і енергоощадні технології. Для оптимізації конвертерного виробництва сталі в сучасних умовах перспективним є використання вдосконалених порівняно з відомими конструкцій кисневих фурм для верхньої продувки. Мета дослідження. Отримання інформації щодо термодинамічної моделі продувки конвертерної ванни через триярусну фурму з уточненням закономірностей перебігу окисних процесів у межах реакційної зони 160-тонного промислового конвертера. Методика реалізації. Проведений аналіз має теоретичний характер і базується на виявленні впливу температури й тиску на закономірності перебігу окисних процесів у межах реакційних зон, що формуються при проникненні кисневих струменів в об’єм металевої ванни, спіненої шлакометалевої емульсії та газів, що відходять у робочому просторі конвертера. Як термодинамічний параметр для оцінки ймовірності перебігу хімічних реакцій було використано енергію Гіббса. При цьому вплив тиску на окисні процеси в конвертерній ванні оцінювали відповідно до формули Вант-Гоффа. Результати дослідження. Представлено термодинамічні особливості перебігу окисних процесів у ванні 160-тонного кисневого конвертера при використанні триярусної фурми. Для первинної реакційної зони характерний перебіг реакцій окиснення марганцю, кремнію, вуглецю, заліза газоподібним киснем. У вторинній реакційній зоні відбуваються хімічні реакції окиснення кремнію та вуглецю розчиненим у металі киснем, а також відновлення оксиду заліза вуглецем. Наявність або відсутність на поверхні розплаву шлакової фази практично не впливає на ймовірність хімічних перетворень у межах як первинної, так і вторинної реакційних зон. Для вторинних додаткових кисневих струменів характерне окиснення оксидних складових шлакової і газової фаз. Висновки. Уточнено термодинамічну модель окисних процесів у первинній і вторинній реакційних зонах, які утворені при взаємодії з ванною 160-тонного конвертера надзвукових і звукових кисневих струменів, що витікають із роздільних груп сопел (Лаваля та циліндричних) кінцевика верхньої триярусної фурми

Elaboration of the Thermodynamic Model of Refining the Converter Bath when Blowing through Three-Tier Oxygen Lance

Background. In modern conditions, the BOP-process is the main method of mass use steel product production. At the same time, due to the shortage of high-quality charge materials, resource and energy-saving technologies are particularly relevant. To optimize the BOP-process under modern conditions, it is promising to use improved oxygen lances for top blowing in comparison with known designs. Objective. An important stage in the development of advanced steel production technologies is obtaining information on the thermodynamic model of blowing a converter bath through a three-tier lance with the elaboration of the regularities of oxidation processes within the reaction zone of a 160-ton industrial converter. Methods. The analysis that was carried out has a theoretical nature and is based on the definition of the influence of temperature and pressure on the regularities of oxidation processes within the reaction zones formed when oxygen jets are introduced into the volume of a metal bath, foamed slag-metallic emulsion and waste gases in the working space of the converter. As a thermodynamic parameter, the Gibbs energy was used to estimate the probability of chemical reactions. The pressure effect on the oxidation processes in the converter bath was evaluated in accordance with the Van’t Hoff formula. Results. The thermodynamic features of oxidation processes in the 160-ton BOF bath using a three-tier lance are presented. Primary reaction zone is characterized by the occurrence of oxidation of manganese, silicon, carbon, and iron by gaseous oxygen. In the secondary reaction zone there are chemical reactions of the oxidation of silicon and carbon dissolved in the metal by oxygen, as well as the reduction of iron oxide by carbon. The presence or absence of a slag phase on the melt surface practically does not affect the occurrence probability of chemical transformations within the boundary of primary and secondary reaction zones. The additional secondary oxygen jets are characterized by oxidation of the oxide components of the slag and gas phases. Conclusions. During the research it was clarified the thermodynamical model of the oxidation processes in primary and secondary reaction zones, that were formed due to the interaction of 160-ton BOF bath with the supersonic and sonic oxygen jets flowing out of the separate groups of nozzles (of Laval and cylindrical shapes) of top three-level oxygen lance

Уточнення термодинамічної моделі рафінування конвертерної ванни під час продувки через триярусну кисневу фурму

Background. In modern conditions, the BOP-process is the main method of mass use steel product production. At the same time, due to the shortage of high-quality charge materials, resource and energy-saving technologies are particularly relevant. To optimize the BOP-process under modern conditions, it is promising to use improved oxygen lances for top blowing in comparison with known designs.Objective. An important stage in the development of advanced steel production technologies is obtaining information on the thermodynamic model of blowing a converter bath through a three-tier lance with the elaboration of the regularities of oxidation processes within the reaction zone of a 160-ton industrial converter.Methods. The analysis that was carried out has a theoretical nature and is based on the definition of the influence of temperature and pressure on the regularities of oxidation processes within the reaction zones formed when oxygen jets are introduced into the volume of a metal bath, foamed slag-metallic emulsion and waste gases in the working space of the converter. As a thermodynamic parameter, the Gibbs energy was used to estimate the probability of chemical reactions. The pressure effect on the oxidation processes in the converter bath was evaluated in accordance with the Van’t Hoff formula.Results. The thermodynamic features of oxidation processes in the 160-ton BOF bath using a three-tier lance are presented. Primary reaction zone is characterized by the occurrence of oxidation of manganese, silicon, carbon, and iron by gaseous oxygen. In the secondary reaction zone there are chemical reactions of the oxidation of silicon and carbon dissolved in the metal by oxygen, as well as the reduction of iron oxide by carbon. The presence or absence of a slag phase on the melt surface practically does not affect the occurrence probability of chemical transformations within the boundary of primary and secondary reaction zones. The additional secondary oxygen jets are characterized by oxidation of the oxide components of the slag and gas phases.Conclusions. During the research it was clarified the thermodynamical model of the oxidation processes in primary and secondary reaction zones, that were formed due to the interaction of 160-ton BOF bath with the supersonic and sonic oxygen jets flowing out of the separate groups of nozzles (of Laval and cylindrical shapes) of top three-level oxygen lance.Проблематика. В современных условиях кислородно-конвертерный процесс является основным способом производства металлопродукции массового назначения. При этом в связи с дефицитом качественных шихтовых материалов особенно актуальны ресурсо- и энергосберегающие технологии. Для оптимизации конвертерного производства стали в современных условиях перспективным является использование усовершенствованных по сравнению с известными конструкций кислородных фурм для верхней продувки.Цель исследования. Получение информации о термодинамической модели продувки конвертерной ванны через трехъярусную фурму с уточнением закономерностей протекания окислительных процессов в пределах реакционной зоны 160-тон­ного промышленного конвертера.Методика реализации. Проведенный анализ носит теоретический характер и базируется на определении влияния температуры и давления на закономерности протекания окислительных процессов в пределах реакционных зон, сформированных при внедрении кислородных струй в объем металлической ванны, вспененной шлакометаллической эмульсии и отходящих газов в рабочем пространстве конвертера. В качестве термодинамического параметра для оценки вероятности протекания химических реакций была использована энергия Гиббса. При этом влияние давления на окислительные процессы в конвертерной ванне оценивали в соответствии с формулой Вант-Гоффа.Результаты исследования. Представлены термодинамические особенности протекания окислительных процессов в ванне 160-тонного кислородного конвертера при использовании трехъярусной фурмы. Для первичной реакционной зоны характерно протекание реакций окисления марганца, кремния, углерода, железа газообразным кислородом. Во вторичной реакционной зоне протекают химические реакции окисления кремния и углерода растворенным в металле кислородом, а также восстановления оксида железа углеродом. Наличие или отсутствие на поверхности расплава шлаковой фазы практически не влияет на вероятность протекания химических превращений в пределах как первичной, так и вторичной реакционных зон. Для вторичных дополнительных кислородных струй характерно окисление оксидных составляющих шлаковой и газовой фаз.Выводы. Уточнена термодинамическая модель окислительных процессов в первичной и вторичной реакционных зонах, образованных при взаимодействии с ванной 160-тонного конвертера сверхзвуковых и звуковых кислородных струй, вытекающих из раздельных групп сопел (Лаваля и цилиндрических) наконечника верхней трехъярусной фурмы.Проблематика. У сучасних умовах киснево-конвертерний процес є основним способом виробництва металопродукції масового призначення. При цьому у зв’язку з дефіцитом якісних шихтових матеріалів особливо актуальними є ресурсо- і енергоощадні технології. Для оптимізації конвертерного виробництва сталі в сучасних умовах перспективним є використання вдосконалених порівняно з відомими конструкцій кисневих фурм для верхньої продувки.Мета дослідження. Отримання інформації щодо термодинамічної моделі продувки конвертерної ванни через триярусну фурму з уточненням закономірностей перебігу окисних процесів у межах реакційної зони 160-тонного промислового конвертера.Методика реалізації. Проведений аналіз має теоретичний характер і базується на виявленні впливу температури й тиску на закономірності перебігу окисних процесів у межах реакційних зон, що формуються при проникненні кисневих струменів в об’єм металевої ванни, спіненої шлакометалевої емульсії та газів, що відходять у робочому просторі конвертера. Як термодинамічний параметр для оцінки ймовірності перебігу хімічних реакцій було використано енергію Гіббса. При цьому вплив тиску на окисні процеси в конвертерній ванні оцінювали відповідно до формули Вант-Гоффа.Результати дослідження. Представлено термодинамічні особливості перебігу окисних процесів у ванні 160-тонного кисневого конвертера при використанні триярусної фурми. Для первинної реакційної зони характерний перебіг реакцій окиснення марганцю, кремнію, вуглецю, заліза газоподібним киснем. У вторинній реакційній зоні відбуваються хімічні реакції окиснення кремнію та вуглецю розчиненим у металі киснем, а також відновлення оксиду заліза вуглецем. Наявність або відсутність на поверхні розплаву шлакової фази практично не впливає на ймовірність хімічних перетворень у межах як первинної, так і вторинної реакційних зон. Для вторинних додаткових кисневих струменів характерне окиснення оксидних складових шлакової і газової фаз.Висновки. Уточнено термодинамічну модель окисних процесів у первинній і вторинній реакційних зонах, які утворені при взаємодії з ванною 160-тонного конвертера надзвукових і звукових кисневих струменів, що витікають із роздільних груп сопел (Лаваля та циліндричних) кінцевика верхньої триярусної фурми

Study of nanometric thin pyrolytic carbon films for explosive electron emission cathode in high-voltage planar diode

We report on an experimental study of explosive electron emission properties of cathode made by nanometric thin pyrolytic carbon (PyC) films (2–150 nm) deposited on Cu substrate via methane-based chemical vapor deposition. High current density at level of 300 A/cm2 in 5 · 10− 5 Pa vacuum has been observed together with very stable explosive emission from the planar cathode. The Raman spectroscopy investigation proves that the PyC films remain the same after seven shots. According to the optical image analysis of the cathode before and after one and seven shots, we conclude that the most unusual and interesting feature of using the PyC films/Cu cathode for explosive emission is that the PyC layer on the top of the copper target prevents its evaporation and oxidation, which leads to higher emission stability compared to conventional graphitic/Cu cathodes, and therefore results in longer working life

Study of nanometric thin pyrolytic carbon films for explosive electron emission cathode in high-voltage planar diode

We report on an experimental study of explosive electron emission properties of cathode made by nanometric thin pyrolytic carbon (PyC) films (2–150 nm) deposited on Cu substrate via methane-based chemical vapor deposition. High current density at level of 300 A/cm2 in 5 · 10− 5 Pa vacuum has been observed together with very stable explosive emission from the planar cathode. The Raman spectroscopy investigation proves that the PyC films remain the same after seven shots. According to the optical image analysis of the cathode before and after one and seven shots, we conclude that the most unusual and interesting feature of using the PyC films/Cu cathode for explosive emission is that the PyC layer on the top of the copper target prevents its evaporation and oxidation, which leads to higher emission stability compared to conventional graphitic/Cu cathodes, and therefore results in longer working life

Application of carbon nanostructures in biomedicine: realities, difficulties, prospects

The review systematizes data on the wide possibilities of practical application of carbon nanostructures. Much attention is paid to the use of carbon nanomaterials in medicine for the visualization of tumors during surgical interventions, in the creation of cosmetics, as well as in agriculture in the creation of fertilizers. Additionally, we demonstrate trends in research in the field of carbon nanomaterials with a view to elaborating targeted drug delivery systems. We also show the creation of nanosized medicinal substances and diagnostic systems, and the production of new biomaterials. A separate section is devoted to the difficulties in studying carbon nanomaterials. The review is intended for a wide range of readers, as well as for experts in the field of nanotechnology and nanomedicine.</p