Прорыв в оптике: открытие анизотропных кристаллов радикалов
Исследовательский коллектив Томского политехнического университета совместно с учеными из ведущих российских и международных институтов выявил уникальные анизотропные оптические характеристики у кристаллов на основе стабильных органических радикалов. Эти кристаллы способны изменять степень поглощения линейно поляризованного света в зависимости от угла поворота. Такая особенность позволяет усилить или, наоборот, существенно ослабить световой поток — разница может достигать пятикратного значения. Подобное открытие открывает перспективы для создания принципиально новых оптических сенсоров и устройств для спинтроники.
Реализация этого крупного исследовательского проекта стала возможна благодаря согласованной поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ. Работа объединила экспертизу специалистов в области химии и физики со всего мира. Полученные результаты закладывают научную базу для разработки прогрессивных материалов, способных реагировать на различные внешние воздействия, такие как магнитные поля и световая поляризация.
Почему линейный дихроизм так важен для новых технологий
Явление линейного дихроизма, при котором вещество по-разному поглощает свет в зависимости от направления поляризации волны, давно знакомо учёным, изучающим как органические, так и неорганические молекулы. Оно широко используется для создания высокоточных поляризаторов, миниатюрных оптических детекторов, материалов для светочувствительных сенсоров и технологий передачи информации. Однако ранее такие свойства практически не встречались у органических стабильных радикалов, особенно сохранивших магнитную активность и устойчивость к распаду.
Сотрудники Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ вместе с коллегами из других институтов синтезировали серию нитронил-нитроксильных радикалов и вырастили их монокристаллы. Изучая эти материалы, ученые обнаружили, что способность поглощать свет у одного и того же кристалла может радикально меняться в зависимости от ориентации относительно поляризации света. Один из образцов практически не задерживал свет в видимом спектре, если его поворачивать определённым образом, а при изменении ориентации на 90 градусов световой поток уменьшался в 30 раз. Такой эффект подтверждает проявление выраженной оптической анизотропии на уровне молекулярной структуры.
От случайного открытия к новым возможностям материалов
Судьбоносное открытие родилось из неожиданного наблюдения в лаборатории. Как рассказывает Павел Петунин, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, команда выращивала монокристаллы нитроксильного радикала с целью изучения их магнитных свойств. К удивлению исследователей, среди насыщенно-синих стандартных образцов появились кристаллы бледно-зелёного цвета. Сперва ученые подумали, что эксперимент прошёл неудачно. Однако подробный химико-структурный анализ не выявил различий в составе. Позже выяснилось, что расхождения в цвете зависят только от направления взгляда — синий и зелёный отпечатки плавно переходят друг в друга при смене угла обзора. Так был установлен эффект линейного дихроизма у магнитных органических кристаллов радикалов, что ранее в научной литературе не встречалось.
При дальнейшем изучении с использованием электронной спектроскопии и рентгеноструктурного анализа учёным удалось точно определить условия, при которых проявляется этот необычный эффект. Дополнительное теоретическое моделирование на уровне квантовой химии подтвердило достоверность экспериментов и помогло описать атомную структуру материалов, отвечающих за проявление новых свойств.
Открытие и перспективы для гибридных оптических и магнитных устройств
Результаты работы исследовательской группы с участием химиков и физиков не только расширяют знания о природе связи между магнетизмом и оптикой в органических материалах, но и задают курс на создание инновационных гибридных сенсоров. Такие устройства будут одновременно чувствительны и к магнитному полю, и к определённой поляризации света, обеспечивая комплексный отклик на внешние стимулы. Это, в свою очередь, приведёт к появлению новых технологий в областях умных оптических систем, квантовых коммуникаций и информационно-вычислительных комплексов.
Одним из наиболее ценных аспектов исследования является то, что все открытые свойства достигнуты на органических радикалах, отличающихся высокой стабильностью и возможностью дальнейшей химической модификации. Это значит, что на основе этих соединений можно создавать новые многофункциональные материалы с регулируемыми свойствами, востребованные в самых разных секторах современной науки и техники.
Международное научное сотрудничество: широта экспертизы и единство целей
Исследование удалось осуществить усилиями большого междисциплинарного коллектива. В проекте задействованы учёные Томского политехнического университета, представители Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Международного томографического центра СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского, Миланского политехнического университета (Италия), СПбГУ и Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН. Такое объединение экспертизы и ресурсов позволило взглянуть на задачу с разных сторон и воспользоваться передовыми экспериментальными методиками и вычислительными возможностями.
Слаженная работа химиков, физиков, кристаллографов и специалистов по квантовой химии позволила не только получить новые результаты, но и выстроить фундамент для разработки принципиально новых материалов — там, где ранее оставались только гипотезы.
Поддержка инноваций и будущее исследований
Данный проект стал возможен благодаря поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, что подтверждает стратегическую значимость научно-технического развития страны. Российские и международные партнеры демонстрируют успешную интеграцию в мировое исследовательское пространство, а полученные знания положительно отражаются как на развитии университетской науки, так и на запуске новых стартапов и технологических инициатив.
Научное открытие, сделанное в Томском политехническом университете при участии ведущих научных центров России и Европы, вдохновляет новые поколения исследователей разрабатывать материалы и устройства завтрашнего дня, которые изменят наш мир к лучшему. Оптимистичный настрой и целеустремлённость команды гарантируют, что подобные проекты будут и дальше продвигать российскую науку на мировом уровне.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда.
Источник: www.kommersant.ru
