Планарные организованные системы на основе полифункциональных соединений для молекулярной электроники

В последние десятилетия пристальное внимание исследователей приковано к разработке устройств молекулярной электроники, фотоники, сенсорики, в основе работы которых лежит действие молекулярных переключателей – соединений или супрамолекулярных систем, обладающих способностью находиться в двух или более термодинамически стабильных состояниях, различающихся по физическим и физико-химическим свойствам. Переключения между такими состояниями могут осуществляться с помощью световых, термических, электрических и других воздействий. Об актуальности данной тематики свидетельствует присуждение Нобелевской премии по химии за 2016 г. по теме «За проектирование и синтез молекулярных машин». Особое место среди активных элементов для молекулярных устройств занимают фототрансформирующие 2D-материалы, которые имеют широкие перспективы использования в оптических системах регистрации информации, в самопроявляющейся фотографии, молекулярных переключателях, хемосенсорах, фильтрах и линзах переменной оптической плотности, в системах аккумуляции солнечной энергии, светоизлучающих диодах и т.д. Создание молекулярных информационных устройств с высокой эффективностью отклика требует решения ряда фундаментальных проблем. Одна из таких проблем заключается в обеспечении свободы динамических превращений функциональных фрагментов в чувствительной мембране на поверхности регистрирующей платформы. В связи с этим основная задача проекта заключается в разработке новых принципов управления структурой и структурно (в том числе стерически) зависимыми физико-химическими характеристиками ультратонких пленок на основе дифильных спиросоединений. До сих пор исследования таких соединений в основном проводили в растворах, однако для решения практических задач необходимо создание фототрансформирующих систем, иммобилизованных на подложках. Наиболее широко распространенные толстопленочные полимерные системы не отвечают требованиям миниатюризации и не могут быть использованы для создания наноразмерных устройств. Однако этим условиям удовлетворяют ультратонкие пленки, формируемые с помощью техники Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ). Строго задаваемая структура и пониженная размерность ПЛБ создают особые условия для фотопревращений. В данном проекте впервые будут использованы органические фотоактивные спиросоединения в качестве основного компонента супрамолекулярных ансамблей, обладающих высокой вариативностью отклика на различные управляющие воздействия. Фотопревращения в растворах под действием ультрафиолетового облучения, термическую релаксацию, изомеризацию в результате комплексообразования, а также кинетические характеристики этих процессов планируется изучать с помощью электронной спектроскопии поглощения, спектрофотометрического титрования и импульсного фотолиза (флэш-фотолиза). Использование электрохимических методов исследования (циклическая вольтамперометрия, модулированная по интенсивности спектроскопия фототоков и фотопотенциалов, спектроскопия электрохимического импеданса) позволит изучить влияние световых воздействий на электропроводность фотоактивных пленок, а также создавать эффективные системы с фотоуправляемыми процессами переноса заряда и энергии, которые могут быть востребованы для органической молекулярной фотовольтаики. Исследование люминесцентных свойств дифильных фоторансформирующих соединений с помощью методов электронной и флуоресцентной спектроскопии, а также время-разрешенной спектроскопии позволит установить механизмы и эффективность преобразования энергии и определить перспективы использования оптически активных 2D-материалов для разработки светоизлучающих устройств. Будет осуществлена сборка и исследованы особенности фотопреобразований в монослоях на поверхности раздела воздух/вода с привлечением методов монослоев Ленгмюра, оптоволоконной спектрофотометрии и спектрофлуориметрии. Агрегационные свойства и морфология таких двумерных систем будут изучены методом Брюстеровской микроскопии. Будет разработана технология формирования ультратонких пленок Ленгмюра-Блоджетт и Ленгмюра-Шеффера исследуемых соединений из индивидуальных и гибридных монослоев, предорганизованных на поверхности водных субфаз. С помощью методов атомно-силовой микроскопии, электронной спектроскопии поглощения, флуоресцентной спектроскопии и микроскопии будет выполнен сравнительный анализ морфологии и оптических характеристик ультратонких пленок. В результате изучения физико-химических свойств фотопреобразующих 2D-материалов в организованных ультратонких системах будут разработаны оптимальные условия их формирования, обеспечивающие высокую эффективность переключений «интеллектуальных» информационных элементов. Следует отметить, что для выполнения основных задач проекта планируется привлечение значительного количества молодых исследователей, что позволит повысить творческий потенциал научной молодежи.