"Научные основы синтеза органических и гибридных соединений и создания функциональных материалов и полимеров для оптики, электроники, сенсорики"

Целью исследования является разработка научных основ по направлениям органической синтетической химии, физической химии и материаловедения для создания новых полимеров, функциональных материалов и устройств для фотоники, оптоэлектроники и сенсорики. В области органической электрохимии. Создание на основе новых электрохимически активных классов органических соединений редокс-активных материалов, в том числе органических полимеров, для применения в устройствах резистивной памяти и оптических переключателях. В результате работы будет получен ряд новых органических сопряженных ароматических и гетероароматических соединений с различными функциональными группами. Будут исследованы их физико-химические свойства, установлены электрохимическая и термическая стабильность, оптические свойства как в растворе, так в твердой фазе. На основании полученных данных будут сделаны выводы о перспективности исследуемых соединений для применения в органической оптоэлектронике и сенсорике; выявлены наиболее перспективные соединения, и исследованы фундаментальные основе получения материалов на их основе. Актуальность проблемы, предлагаемой к решению: Разработка резистивных запоминающих устройств (мемристоров) на полимерной основе с низким вольтажом ON/OFF переключений является приоритетной и перспективной областью в технологиях энергонезависимых запоминающих устройств, поскольку может привести к созданию как гибких запоминающих устройств, так и устройств памяти с трехмерной архитектурой. Кроме того, пендантные группы или цепные редокс-активные донорно-акцепторные (ДА) блоки электроактивных полимеров при определенных потенциалах могут переходить в ионные состояния с сильным изменением длин волн оптического поглощения и сил осцилляторов переходов. Эти свойства перспективно использовать для создания полимерных оптических переключателей под воздействием приложенного напряжения. Изложенное научное направление слабо развито в России, и его развитие очень актуально для РФ в аспекте перехода к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, к созданию систем обработки больших объемов данных и устройств с гибкими электронными элементами. Полиэтилен и полипропилен производится в РФ на закупленных у иностранных фирм заводах. В этой связи актуальной является задача разработки отечественных катализаторов последнего поколения, использование которых способно повысить возможности старых производств и ослабить зависимость от западных технологий, поскольку все российские производства полиолефинов используют импортные катализаторы. Разработка фотополимерных материалов для применения в оптической голографии и литографии является крайне актуальной темой исследований в области фотоники. Основной проблемой является отсутствие в РФ целенаправленной разработки методов синтеза основных компонентов таких материалов: мономеров, полимеров, красителей-сенсибилизаторов, соинициаторов, термически, химически и электронно-устойчивых фоторезистивных покрытий. Исследование направлено на создание фотополимерных композиций и материалах для формирования получение оптических голографических и литографических микроструктур. Создание пленочных нелинейно-оптических материалов на основе донорно-акцепторных хромофоров в полимере направлено на решение актуальной проблемы радиофотоники – создания широкополосных электро-оптических модуляторов для перехода от электронной к оптической обработке и модуляции радиочастотных сигналов и передачи их по оптическим каналам связи. Создание люминофоров с ковалентной пришивкой к белкам, пептидам, ДНК и другим биомолекулам активно развивается и используется для оптического биоимиджинга с применением в области биохимии, цитологии и биомедицины для визуализации органов-мишеней, дискриминации больных и здоровых тканей, агентов, адресной доставке лекарств и токсикантов. Важным является создание набора люминофоров, реализующих эффективное взаимодействие с биогенными соединениями. Поэтому разработка методов синтеза функционализированных красителей-люминофоров способных связываться с биомолекулами по различным функциональным группам является актуальной задачей. Органические полупроводниковые материалы, а также устройства на их основе являются достойной альтернативой, а, в некоторых случаях, и уникальным дополнением к существующим неорганическим аналогам. Устройства органической электроники потенциально могут сочетать дешевизну и простоту производства, гибкость, растяжимость полу/прозрачность, легкость и др. Кроме того, органические светоизлучающие материалы, как правило, имеют высокую эффективность. Данные преимущества открываются исследователям благодаря наличию уникальных свойств, доступных для органических материалов и возможности их тонкой настройки и сочетания. Поэтому актуальность исследования фундаментальных основ дизайна и получения новых органических материалов для оптоэлектроники не вызывает сомнений. Описание задач, предлагаемых к решению Планируется решение взаимосвязанных задач, среди которых: дизайн и синтез новых органических и гибридных соединений, мономеров и полимеров с различными функциональными группами; теоретическое моделирование структуры и свойств полученных соединений; исследование их физико-химических, электронных и оптических характеристик. Предлагаемые задачи включают исследования по следующим направлениям: Разработка синтетических подходов и изучение свойств новых функциональных полимеров для органической электроники, которые способны образовывать бистабильные состояния при электрических переключениях с малым вольтажо. Исследование электрохимических и электрохромных свойств ряда новых органических соединений с целью отбора перспективных структур для создания ДА-блоков и пендантных групп. Исследование электрохромного поведения новых полимеров и оценка возможности их применения в качестве материалов для оптических переключателей. Изготовление модельных устройств резистивной памяти с использованием новых полимеров. Тестирование их свойств: вольтажа ON/OFF переключения, типа памяти, устойчивости и оптических свойств бистабильных состояний. Установление зависимости между полученными характеристиками устройств памяти и химической структурой электрохимически активных пендантных групп или ДА-блоков. Разработка научно-обоснованных прогнозов развития данного направления исследований. Дизайн, синтез и всестороннее исследование новых органических полупроводниковых и светоизлучающих материалов для использования в органической оптоэлектронике. Синтез новых органических сопряженных ароматических и гетероароматических соединений с различными функциональными группами и исследование их физико-химических свойств, определение электрохимической и термической стабильности, оптических свойств в растворе и твердой фазе. Обобщение полученных экспериментальных данных, их интерпретация в рамках современных научных представлений, формулировка выводов о перспективах применения полученных соединений для создания функциональных наноматериалов для органической оптоэлектроники и сенсорики; изучение подходов к созданию функциональных материалов на основе найденных перспективных соединений Дизайн, синтез и всестороннее исследование новых органических полупроводниковых и светоизлучающих материалов для использования в органической оптоэлектронике. Синтез новых органических сопряженных ароматических и гетероароматических соединений с различными функциональными группами и исследование их физико-химических свойств, определение электрохимической и термической стабильности, оптических свойств в растворе и твердой фазе. Обобщение полученных экспериментальных данных, их интерпретация в рамках современных научных представлений, формулировка выводов о перспективах применения полученных соединений для создания функциональных наноматериалов для органической оптоэлектроники и сенсорики; изучение подходов к созданию функциональных материалов на основе найденных перспективных соединений Дизайн, синтез и всестороннее исследование новых органических полупроводниковых и светоизлучающих материалов для использования в органической оптоэлектронике. Синтез новых органических сопряженных ароматических и гетероароматических соединений с различными функциональными группами и исследование их физико-химических свойств, определение электрохимической и термической стабильности, оптических свойств в растворе и твердой фазе. Обобщение полученных экспериментальных данных, их интерпретация в рамках современных научных представлений, формулировка выводов о перспективах применения полученных соединений для создания функциональных наноматериалов для органической оптоэлектроники и сенсорики; изучение подходов к созданию функциональных материалов на основе найденных перспективных соединений Предполагаемые (ожидаемые) результаты и их возможная практическая значимость (применимость) Предполагаемые результаты: Новые электроактивные полимеры с термически устойчивыми пендантными группами и/или ДА-блоками для устройств резистивной памяти с низким вольтажом переключений. Данные об их электрохимических, термических, электрохромных свойствах, эффективности функционирования новых полимерных материалов в составе модельных элементарных ячеек памяти. Анализ перспектив использования электроактивных полимеров в разработке «посткремниевых» технологий электронных микрочипов, в том числе и микрочипов с трехмерной архитектурой, а также технологий электронных оптических переключателей. Синтетические методы получения новых арилиминных лигандов и комплексов галогенидов титана, никеля, кобальта на их основе. Данные о корреляции активности комплексов с параметрами, характеризующими структуру комплексов и внешних условий полимеризации. В результате работы будут созданы высокопроизводительные патенточистые каталитические системы, максимум эффективности которых совместим с режимом работы имеющихся в РФ установок. Будут выработаны рекомендации практического использования новых каталитических систем получения полиэтилена высокой плотности, сверхвысокомолекулярного полиэтилена и высокоразветвленного полиэтилена. Будут разработаны методы синтеза донорно-акцепторных хромофоров. Будут получены экспериментальные образцы пленочных материалов на основе оригинальных синтезированных несимметричных органических хромофоров с высокой оптической нелинейностью второго порядка. Будут получены данные о перспективности их использования для создания широкополосных электрооптических модуляторов. Разработанные методы синтеза и создание функционализованных люминофоров способных к ковалентной пришивке к биомолекулам для визуализации селективного накопления агентов таргетной доставки в канцерогенных клетках. Анализ эффективности их связывания с биомолекулами. Разработанные методы синтеза компонентов фотополимерных композиций и создание экспериментальных образцов фотополимерных материалов для применения в области оптической голографии и литографии. Анализ их функциональных свойств в зависимости от структуры компонентов и состава композиций. Разработанные подходы к дизайну и получение новых малых молекул, мономеров, олигомеров и полимеров для органической оптоэлектроники, метод формирования и функциональные свойства материалов на их основе. Возможная практическая значимость: Электроактивные полимеры - умные материалы, свойствами которых можно управлять посредством внешнего воздействия - величины и направления электрического (электромагнитного) поля. Возможные применения имеют очень широкий диапазон. Создание ДНК-сенсоров и, таким способом, новых методов диагностики, основанных на определении геномных последовательностей. Создание функциональных покрытий с изменяемыми оптическими и электрическими характеристиками. Создание ячеек памяти и, таким способом, устройств для запоминания и хранения информации. Создание нового поколения электронных оптических переключателей. Создание каталитических систем для полимеризации этилена с высокой активностью и стабильностью Синтез новых молекул, чувствительных к определенному диапазону оптического излучения, применение таких молекул для получения полимерных композиций и создания таким способом новых оптических материалов с заданными характеристиками. На основе таких материалов могут быть получены устройства для хранения и передачи информации Создание новых препаратов для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Создание новых материалов для оптической голографии и литографии. Запись, защита, хранение информации