Помогут тонкопленочные материалы на основе порфирина

Коллектив ученых Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского (СГУ) разрабатывает и анализирует тонкопленочные материалы на основе производных порфирина. Проект относится к перспективному направлению по управлению свойствами молекулярных каркасов. Работа саратовских исследователей может использоваться для создания перспективных наноустройств.

Изучение закономерностей формирования слоев толщиной в одну молекулу — одна из актуальных задач физики, химии и нового технологического направления «наноархитектоника», в рамках которого с помощью наносинтеза и перегруппировки структурных единиц (атомов, молекул или нанообъектов) возможно проектировать и получать новые материалы.

Перспективными «кирпичиками» для наноархитектоники являются производные порфиринов — сложные вещества, широко распространенные в живой природе. Типичные примеры — гемоглобин и хлорофилл.

Одной из задач проекта было исследование закономерностей формирования на поверхности воды и твердых подложек единичных слоев четырех производных порфиринов с симметричным и асимметричным замещением, впервые синтезированных коллегами саратовцев по гранту из Ивановского государственного университета. На эти процессы влияет очень много факторов: химическое окружение, температура, особенности упаковки молекул в нанослое. Экспериментально было подтверждено, что повышение температуры ведет к разрыхлению плавающих слоев порфирина, что напрямую влияет на их стабильность.

«При температурах около 20°C пленки имеют максимальную сплошность и минимальную шероховатость»,— уточняет инженер лаборатории пленочных наноструктурированных материалов Татьяна Каратышова.

Наряду с этим ожидаемым результатом были получены нетривиальные. Так, оказалось, что фактор структурной организации молекул в слое вполне может конкурировать с фактором, связанным с химической природой окружающих молекул. Известно, что молекулы порфиринов в присутствии кислоты способны переходить из депротонированного состояния в протонированное или наоборот, когда дополнительный атом водорода присоединяется к молекуле порфирина или когда покидает ее. Специалисты обнаружили, что такой переход молекул порфирина в составе слоя может происходить не только при изменении концентрации кислоты в водной субфазе, но и в зависимости от того, как сильно сжат этот слой на поверхности воды. О таких особенностях свойств конденсированных слоев в первую очередь свидетельствуют спектральные характеристики — спектры поглощения и люминесценции.

Еще одним неочевидным выводом работы стало сохранение протонированного состояния и типа организованных агрегатов молекул плавающего слоя при переносе его на твердую подложку и даже при нагреве образцов почти до температуры плавления пленки.

О тонкостях работы рассказал руководитель проекта — заведующий лабораторией пленочных наноструктурированных материалов, доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством Саратовского университета Евгений Глуховской:

«Наша группа проверяла разное сочетание условий и их влияние на свойства одинарных слоев молекул. Например, под воздействием температуры молекулы становятся более подвижными и менее привязанными к воде, что непосредственно отражается на состоянии всего слоя, на его упаковке. При разных температурах они формируют уплотненное или разреженное состояние при разных площадях, упаковываются в двойные или одинарные слои».

Важные выводы были получены во время наблюдения за химическими и физическими факторами воздействия на молекулы порфирина.

«Если молекулы порфирина уложить на воде так, чтобы макроцикл располагался горизонтально, и в воду добавить кислоту, то слой таких молекул поменяет цвет. У них возникнут дополнительные заряды на некоторых участках, что заставит их складываться с другими молекулами в агрегаты какого-либо типа. Но при торцевом сжатии слоя, при увеличении давления молекулы в слое перестраиваются и их взаимодействие с водой ослабевает, а слой меняет цвет с зеленого на красный»,— делится инженер лаборатории пленочных наноструктурированных материалов Владислав Миронюк.

Как показали эксперименты, оптические свойства слоев и пленок порфиринов сильно зависят и от температуры субфазы или подложки, на которую перенесен слой.

Комбинация порфиринов и квантовых точек может стать основой для солнечных батарей с улучшенными характеристиками и способствовать развитию альтернативных источников энергии.

Исследованные саратовскими учеными закономерности в изменении свойств синтезированных веществ в зависимости от внешних факторов не только открывают новые горизонты для создания высокоэффективных фотовольтаических устройств на основе тонкопленочных структур, но и позволяют по-новому взглянуть на роль и особенности поведения производных порфиринов, таких как гемоглобин или хлорофилл, в живой природе.

«Знания свойств и поведения порфириновых молекул в конкретных физических и химических условиях необходимы, чтобы управлять молекулами: выстроить их в нужном для устройства порядке, заставить их лежать или повернуться. Все это можно контролировать комбинированием определенных условий,— заявляет Евгений Глуховской.— После упорядочения слой молекул порфирина может использоваться как готовая подложка для молекулярной микросхемы, а если быть точным — наносхемы».

Логическим продолжением темы является выстраивание порфириновых молекул в виде молекулярных каркасов. Но ученые оставляют эту задачу на будущее.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№21–73–20057) и согласуется со стратегическими проектами СГУ в рамках федеральной программы «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты».

Подготовлено при поддержке Минобрнауки