Плазмон-индуцируемые превращения органических веществ: от фундаментальных основ к практическому использованию

Энергетический кризис, связанный с недостатком энергоресурсов, является одним из глобальных вызовов человечества. Решение проблемы сводится к разработке новых методов генерирования энергии, в том числе и с применением солнечного света. Не менее важным является рациональное ее использование в производственных процессах. Одним из основных потребителей энергии являются химические производства. Энергоемкость химических производств может быть снижена за счет разработки новых подходов к активации реакций с использованием возобновляемых источников энергии, например, солнечного света. Прогресс в данном направлении был достигнут при использовании редокс-фотокатализа, требующего относительно коротковолнового освещения. В последние годы появились междисциплинарные исследования, связанные с активацией химических реакций на поверхности наночастиц металлов (Au, Ag, Cu и Al) за счет возбуждения плазмонного резонанса. Плазмон возбуждается при использовании видимого или инфракрасного света, что позволяет проводить процессы в мягких условиях при использовании низкоэнергетических источников света. Знания в области химии плазмона находятся на начальном этапе развития, что не позволяет успешно внедрять их в практику химической технологии даже на лабораторном уровне – так, если физическая природа явления описана в деталях, то фундаментальные аспекты взаимодействия плазмона с молекулами являются вопросом дискуссионным. Проект представляет собой междисциплинарное исследование, призванное получить новые знания о вопросах взаимодействия молекул с плазмоном и разработать фундаментальные основы его использования в химической технологии и для экологических применений. В проекте планируется исследование механизмов взаимодействия молекул с плазмоном с использованием теоретических и экспериментальных подходов, разработанных, в том числе, и авторским коллективом. Ключевая роль принадлежит ресурсным центрам «Оптические и лазерные методы исследования вещества» и "Нанотехнологии" в составе ЦКП Научный парк СПбГУ, имеющим уникальные установки для оптических методов исследований в фемтосекундных шкалах, необходимые для исследования механизмов процесса с участием возбужденных состояний вещества. Результаты исследований выльются в глубокое понимание процессов плазмонной активации и позволят выявить ключевые факторы, влияющие на протекание реакций с точки зрения основных параметров плазмон-активных материалов и электронного строения молекул. Найденные закономерности реакций лягут в основу разработки методов трансформации веществ под действием плазмона. Будут разработаны гибридные материалы на основе металл-органических каркасов с внедренными плазмон-активными элементами и мезопористых металлов. Кроме того, будут созданы практически значимые методы деградации экотоксикантов с использованием солнечного света. Мы намерены разработать технологические основы процессов трансформации веществ с использованием энергии плазмона. Для этих целей планируется разработка проточных реакторов с использованием аддитивных технологий 3D-печати, в том числе и специальными полимерами. Проект будет реализовываться на стыке физической и органической химии, химии поверхности, квантовой химии, физики твердого тела и химической технологии. Проект призван по-новому взглянуть на использование инструментария органической и физической химии для достижения глубокого понимания процессов активации реакций на границе между наноматериалами и веществом. Проект будет реализован молодым, но опытным коллективом, имеющим существенный задел в предметной области и опыт междисциплинарных исследований. В качестве партнера для проведения исследований были выбраны ресурсные центры, имеющие инфраструктуру для исследования динамики процессов в фемтосекундном диапазоне, что существенно поднимет уровень исследований. Взаимосвязь опыта научного коллектива проекта с доступом к уникальному оборудованию позволит успешно решить ключевые задачи проекта.