Механо- и фотоиндуцируемые переключения в монослоях Ленгмюра на межфазных границах и их связь с функциональными характеристиками 2D материалов

Проект направлен на создание интеллектуальных двумерных наноматериалов на основе новых переключаемых соединений различной химической природы. Оригинальность предлагаемого подхода заключается в том, что управление функциональными характеристиками наноустройств осуществляется за счет структурных превращений, индуцируемых поверхностью и управляемых латеральным сжатием и/или облучением. Важнейшая задача проекта - выявление механизмов реализации молекулярных переключений в планарных системах. Актуальность поиска новых эффективных переключаемых наноматериалов определяется потребностями современного общества в таких областях, как экология, биология, медицина, производство. Организованные планарные системы – перспективное направление разработки быстродействующих информационных устройств. Решение поставленных задач возможно только с применением доступных на ОИ современных высокочувствительных методов исследования, основанных на использовании яркого источника синхротронного излучения. Впервые запланировано комплексное изучение изменения структуры переключаемых двумерных систем под воздействием таких факторов как латеральное сжатие-растяжение, изменение состава субфазы, присутствие в монослое дополнительных структурообразующих компонентов, а также фото-, УФ и рентгеновское облучение. В проекте впервые предусмотрено одновременное проведение in situ измерений рентгеновскими методами и разработанным авторами проекта методом электронной спектроскопии поглощения при отражении, что позволит определить структурные характеристики взаимо-переключаемых форм исследуемых соединений и соответствующие им условия формирования. Возможность проведения таких измерений подтверждена успешным выполнением проектов ESRF SC4447 и SC5145. Для дифильных сопряжённых органических соединений нескольких химических классов (тетрапирролы, спиропираны, производные BODIPY, неионогенные ПАВ, флуороионофоры) с помощью методов, доступных на ОИ (малоугловой рентгеновской рефлектометрии и дифракции в геометрии скользящего пучка, метода стоячих рентгеновских волн и спектроскопии XANES), будут определены закономерности структурообразования в ультратонких плёнках и выявлены взаимосвязи между структурой монослоя и функциональными характеристиками формируемой из него информационной системы. Особое внимание будет уделено изучению механизмов впервые обнаруженных авторами 2D эффектов: контролируемого поверхностным давлением внутримолекулярного переноса электрона с металла на лиганд и обратно, спин-кроссовера при принудительной 2D супрамолекулярной сборке тетрапиррольных комплексов никеля и рутения, а также фотомеханического эффекта в монослоях фотохромных соединений. Все эти явления в монослоях исследуются впервые. Ещё одно направление проекта - изучение механизмов переключения функциональной активности холестерин-липидных мембран для выявления связи их структурной организации с проявлением особых биофизических свойств и определения путей стабилизации везикулярных мембран. Обработка результатов измерений будет проводиться современными вычислительными методами молекулярного моделирования и молекулярной динамики. Предусмотрено восстановление распределения электронной плотности из данных рентгеновской рефлектометрии стохастическими вычислительными методами с использованием разработанного при участии авторов проекта эффективного алгоритма. Научная значимость проекта обусловлена тем, что для ряда систем различной молекулярной организации впервые с помощью самых современных методов исследования будут выявлены механизмы структурных, фотофизических и механохимических переключений, протекающих в монослоях Ленгмюра при различных внешних воздействиях. Полученные результаты обеспечат как оптимизацию функциональных характеристик исследуемых систем, так и возможность постановки новых конкретных задач направленного дизайна материалов с высокой эффективностью отклика на внешние переключающие воздействия.