КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 14-13-00379

НазваниеНовое поколение фото- и электроуправляемых ЖК полимеров и ЖК композитов для фотоники: дизайн и синтез макромолекул различной архитектуры, контроль супрамолекулярной структуры и оптических свойств.

РуководительШибаев Валерий Петрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые словажидкокристаллические полимеры, "умные" материалы, фотохромные ЖК дендримеры, полимерные ЖК композиты, супрамолекулярная структура, фотохромизм, фотоизомеризация, фотоактюаторы, электрооптические свойства, флуоресценция, хирально-фотохромные допанты, азобензол

Код ГРНТИ31.25.19

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект посвящен решению фундаментальной и практически значимой проблемы, связанной с созданием нового поколения самоорганизованных стимул-чувствительных фотохромных жидкокристаллических (ЖК) полимеров и ЖК композитов с управляемыми оптическими свойствами для фотоники, оптики, оптоэлектроники и дисплейной техники. Жидкокристаллические полимеры удачно сочетают физико-механические свойства макромолекулярных веществ (способность к образованию стабильных пленок, волокон и тонкопленочных покрытий) с уникальными оптическими свойствами жидких кристаллов. Самоорганизация и образование различных упорядоченных супрамолекулярных структур в таких системах, легко управляемых с помощью внешних электрических, магнитных полей и светового воздействия, представляют существенный интерес для создания новых фото- и электроуправляемых материалов с локально-регулируемой структурой и оптическими свойствами. Большим достоинством этих соединений является возможность сохранения уникальных оптических свойств ЖК фазы в твердом материале (пленке, покрытии). Наряду с современными техническими устройствами (гаджетами) базирующимися на низкомолекулярных жидких кристаллах (мониторы компьютеров, ЖК экраны телевизоров, ноутбуков и мобильных телефонов и т.п.) уже ставшими привычными в нашей повседневной жизни, внимание ученых привлекает возможность создания новых типов «умных» материалов, к числу которых принадлежат жидкокристаллические (ЖК) полимеры. В продолжении и развитии Проекта 2014 цель данного Проекта 2017 – дизайн новых типов «умных» ЖК полимеров, основанных на синтезе более сложных регулярно-построенных диблок-сополимеров с варьируемым строением и составом мезогенных и фотохромных субблоков, разработка новых гибридных ЖК полимерных систем, состоящих из блок-сополимеров комплексо-связанных с неорганическими наночастицами и изучение их флуоресцентных свойств. Работы, проведенные в Проекте 2014, по изучению оригинальных фото-механических актюаторов на основе ПЭ будут продолжены с целью создания нового типа необычных гибридных фотоактивных ЖК композитов, основанных на пористых пленках ПЭ допированных жидкими кристаллами с неорганическими полупроводниковыми частицами селенида кадмия, УФ-облучение которых должно привести к получению флуоресцирующих пленок ПЭ. Это бесспорно новая страница в исследовании ЖК полимерных систем. Особый интерес вызывает обнаруженный в рамках предыдущего проекта необычный электрооптический эффект, заключающийся в резком и полном изменении характера ориентации мезогенных групп для одного из синтезированных нами гребнеобразных полимеров. Охлаждение полимерных пленок этого полимера при воздействии электрического поля приводит гомеотропную текстуру в планарную текстуру в узком двух-трехградусном интервале температур. Данный необычный электроптический эффект наблюдался впервые и будет предметом детального рассмотрения на ЖК полимерах подобного типа с разными молекулярно-массовыми характеристиками с целью выяснения механизма его происхождения, что имеет фундаментальный интерес с целью его использования при рассмотрении электрооптических свойств ЖК материалов. Планируется провести новые работы по детальному изучению процессов массопереноса в пленках ЖК полимеров и ЖК композитов с помощью сильно-сфокусированного лазерного облучения, которое вызывает появление на поверхности пленок небольших углублений т.н. «кратеров», что представляет интерес с точки зрения создания заданного поверхностного наноразмерного рельефа. Вообще изучение топографии поверхностного рельефа полимерных пленок и разработка путей его термо- и фоторегулирования представляет одну их важных задач будущего проекта. Нахождение корреляции между характерными структурными особенностями рельефа пленок ЖК полимеров и их фазовым состоянием дает ключ к пониманию физических явлений, происходящих на их поверхности (смачивание, ориентация низкомолекулярных жидких кристаллов на границе раздела и т.д.). Значительное внимание будет уделено изучению влияния электрического поля на холестерические полимерные пленки, позволяющие создавать одномерные и двумерные дифракционные решетки (ДР), представляющие интерес для получения оптических элементов для оптоэлектронных устройств. Дальнейшая задача заключается в изучении возможности расширения круга электроиндуцированных ДР на основе холестериков и выявлении механизма их образования. Совершенно новая часть Проекта 2017 будет посвящена разработке новых гибридных ЖК композитов – фотонных кристаллов на основе пористого кремния и пористого оксида кремния, заполненных ЖК соединениями. Предполагается исследование свойств полученных ЖК композитов, при этом Брегговская фотонная запрещенная зона (ФЗЗ) будет расположена в видимой и ближней ИК-области. Заполнение пористой структуры кремния нематическими жидкими кристаллами и фотохромными допантами будет приводить к сдвигам ФЗЗ, что позволит осуществить получение флуоресцентных композитов с фотоуправляемой ФЗЗ, а введение нанокристаллов CdSe/ZnS в ту же матрицу позволит стимулировать лазерную генерацию.

Ожидаемые результаты
Жидкокристаллические (ЖК) полимеры, макромолекулы которых содержат гибкие основные цепи и жесткие стержнеобразные молекулы жидких кристаллов, химически связанные с помощью метиленовых групп с основной цепью, представляют собой особый класс материалов, удивительным образом сочетающим «материальные» свойства макромолекулярных соединений (пленки, волокна, покрытия) и «жидкостные» свойства ЖК соединений с их уникальными оптическими свойствами и возможностью управления ими внешними полями. Именно это необычное сочетание свойств в едином материале представляет фундаментальный научный интерес к детальному изучению этих соединений учеными различных дисциплин, работающими как в области химии и физики полимеров, а также в области материаловедения. По существу, ЖК полимеры являются типичными представителями т.н. «мягкой материи» (soft matter) демонстрируя, весьма своеобразные типы структур, промежуточные между твердыми телами и неупорядоченными фазами. Изучение таких ЖК систем представляет не только существенный фундаментальный интерес, направленный на понимание закономерностей их физико-химического поведения, но они также важны и с практической точки зрения, связанной с поиском прикладных областей их использования. Уникальным свойствам ЖК полимеров, как объектов мягкой материи, является их легкая «податливость» к воздействию внешних электромагнитных полей с возможностью локального изменения их супрамолекулярной структуры и ее фиксацией в твердом теле (пленки, покрытия) и сохранением оптических свойств, присущих жидким кристаллам. Особый интерес вызывают фотохромные ЖК полимеры, содержащие помимо мезогенных групп и фотоактивные фрагменты, часто сочетающиеся с хиральными группами. По существу, такие ЖК полимеры следует рассматривать как особый тип многофункциональных саморганизованных термо-, фото- и электроуправляемых структурно- и функционально-интегрированных стимул-чувствительных полимеров (smart field responsive polymers), которые могут быть использованы в самых разнообразных областях – фотонике, оптике, оптоэлектронике, дисплейной технике, устройствах с оптической памятью и информационных системах. Основываясь на вышеуказанных соображениях, основной целью данного проекта является молекулярный дизайн, синтез и исследование новых типов фото-, термо- и электроуправляемых ЖК полимеров и ЖК композитов, имея в виду создание нового поколения стимул-чувствительных полимеров с управляемой супрамолекулярной структурой и оптическими свойствами. В работе предполагается разработать подходы к получению новых типов многофункциональных фото-, термо- и электроуправляемых полимеров и осуществить синтез диблок- и триблок-сополимеров типа An-Bm и An-Bm-An (где n и m – степень полимеризации), состоящих из мезогенных и фотохромных суб-блоков, по-разному расположенных в составе макромолекул, коваленто- и водородно-связанных с основной цепью. Особое внимание будет уделено изучению фазового состояния, микрофазового разделения в таких системах, а также исследованию их фотооптических свойств. Полученные результаты позволят понять как формируются различные типы мезофаз в сложных трехблочных ЖК системах, состоящие полностью из ЖК блоков, что до сих пор не описано в литературе. Значительное внимание будет уделено использованию полученных ЖК блок-сополимеров содержащих поливинилпиридиновые суб-блоки для включения в их состав полупроводниковых наночастиц на основе CdSe/ZnS. Разработанный нами подход к их получению, детально описанный в п. 4.3.2. даст возможность впервые осуществить получение на основе ЖК блок-сополимера новые типы флуоресцентных ЖК полимеров. Идея этой части работы хорошо коррелирует с другой частью работы, посвященной созданию фотомеханических актюаторов на основе пленок пористого ПЭ. Если в предыдущих работах по Проекту 2014 фотомеханические актюаторы были получены за счет введения в пленки ПЭ полимеризующейся смеси с фотохромными соединениями и сшивающим агентом, то в настоящей работе мы планируем ввести в пористые пленки ПЭ наночастицы селенида кадмия с целью создания электро- и фотоуправляемых тонких пленок ПЭ для получения флуоресцентных фотомеханических робототехнических устройств. Особый интерес представляют новые электро-чувствительные ЖК композиты на основе полимер-стабилизированных холестерических жидких кристаллов с фоторегулируемым шагом спирали. Исследование таких систем позволит получить уникальные ЖК материалы последовательно управляя их оптическими свойствами с помощью электрического поля и воздействии света. Планируется значительное внимание уделить детальному изучению создания одномерных и двумерных дифракционных решеток (ДР) представляющих существенный интерес для получения новых оптических элементов для оптоэлектронных устройств. Основная идея заключается в формировании периодических пористых структур полимерных пленок с последующим заполнением пор фотополимеризующимися смесями мономеров с флуоресцентными допантами, что в результате приведет к формированию различного типа ДР стабилизированных образовавшейся полимерной сеткой. Новый необычный электрооптический эффект, обнаруженный в предыдущем Проекте 2014 и заключающийся в резкой смене ориентации мезогенных групп в узком температурном интервале (2-3оС) при наложении электрического поля, будет предметом детального исследования. Для этого будут использованы другие ЖК полимеры, а также фракции полимеров с разной молекулярной массой. Новые результаты ожидаются при изучении процессов массопереносов в пленках ЖК полимеров и ЖК композитов под действием сильно-сфокусированного лазерного излучения. Такое воздействие лазера вызывает появление на поверхности пленок небольших углублений (т.н. «кратеров»), что представляет значительный интерес с точки зрения создания заданного поверхностного наноразмерного рельефа. Интересные результаты должны быть получены при исследовании топографии поверхностного рельефа полимерных пленок и нахождении путей их термо- и фоторегулирования. Цель – разработка методов создания наноструктурированных поверхностей и изучение взаимосвязи между их структурой и физическими явлениями происходящими на поверхности такими как смачивание, адгезия, ориентация низкомолекулярных жидких кристаллов на границах раздела. Новым направлением исследований, которые предполагается инициировать и развить в проекте 2017, является разработка нового класса фотонных кристаллов на основе пористого кремния и пористого оксида кремния, заполненных фотохромными ЖК-смесями. Эти системы будут представлять собой мезопористые материалы, которые будут заполнены нематическими смесями, содержащими высокую концентрацию азобензольных соединений. В работе планируется реализовать фоторегулирование положения фотонной зоны за счёт фотоизомеризации азобензольных допантов с образованием низкоанизометричной Z-формы, появление которой будет приводить к изотропизации введённой в систему смеси. Изменение значений показателя преломления в ходе этого процесса приведёт к спектральному сдвигу фотонной зоны. Введение в такие системы флуоресцентных красителей и квантовых полупроводниковых нанокристаллов (квантовых точек) позволит получить фотонные кристаллы с управляемыми флуоресценцией и лазерной генерацией. Решение задач, поставленных в Проекте 2017 это – создание «умных» интеллектуальных материалов управляемых внешними полями для фотоники и оптоэлектроники. Запланированные результаты проекта полностью соответствуют мировому уровню исследований [N.Kawatsuki et al //ACS Macro Letters, 2016, 5, 761; G. Bazuin et al // Macromolecules, 2016, 49, 4923; S. Kahmann et all // J.Mat.Chem. C, 2015, 3, 5499; A. Nelson // J.Polym.Sci. Pol.Chem., 2016, 54, 457; K.Abe et al // Macromolecules, 2015, 48, 8354; T. Seki et al // Angew.Chem.Int.Ed, 2016, 55, 1]. Научная группа исследователей Проекта 2017 обладает значительным опытом работы в этом направлении, имеет большое количество цитируемых работ в ведущих научных журналах и владеет современным оборудованием для синтетической и исследовательской работы. Полученные ЖК системы могут найти применение также для создания новых материалов для дисплейных технологий (командные поверхности), для защиты ценных бумаг и записи оптической информации. Поскольку в проекте принимают участие 2 аспиранта и 2 студента, то часть результатов, полученных в работе, войдет в содержание кандидатских диссертационных работ на соискание ученых степеней кандидата химических и физико-математических наук, а также в дипломную работу. По результатам работ планируется представить не менее 8 научных докладов на Международных и Российских конференция. Результаты работы в ходе выполнения проекта будут опубликованы не менее чем в 8 статьях в ведущих научных журналах.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---