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 24-23-00606
НазваниеРезонансная ИК-фотохимия адсорбированных молекул
РуководительЦыганенко Алексей Алексеевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция
Ключевые словаЛазерно-индуцированные процессы, ИК-фотохимия, адсорбция молекул, колебательная спектроскопия, низкотемпературная спектроскопия, разделение изотопов, запись информации
Код ГРНТИ31.15.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на изучение изменений в химическом составе или физическом состоянии гетерогенных систем под действием импульсов лазерного излучения, в том числе вызываемых селективным резонансным возбуждением колебательных состояний поверхностных соединений, методами колебательной спектроскопии с применением техники спектроскопии с разрешением во времени, а также методов спектров люминесценции и квантовой механики. Предлагаемая программа работ включает следующие основные направления:
1. Исследование индуцированных лазерным излучением процессов на поверхности с участием соединений различного изотопного состава, при их селективном резонансном возбуждении ИК излучением. Планируются опыты поиску изотопно-селективных реакций озона, СО, СО2, HN3 и оксидов азота в адсорбированном состоянии. Селективное резонансное возбуждение ИК лазерным излучением позволит наблюдать избирательное образование продуктов реакции определенного изотопного состава. Полученная информация будет представлять интерес для развития методов разделения изотопов, для решения проблемы сохранения озонового слоя и для тонкого каталитического синтеза.
2. Использование метода ИК-Фурье спектроскопии с временным разрешением позволяет планировать эксперименты по воздействию резонансного ИК возбуждения на системы с обратимыми изменениями под действием импульсного излучения. В частности, для адсорбентов, где была установлена изомерия связывания молекул СО, которые присоединяются к катионам как через атом С так и О, будет исследована возможность стимулировать изомерный переход резонансным воздействием ИК лазера, оценена вероятность индуцируемой облучением изомеризации и время релаксации системы до восстановления равновесия. Аналогичные опыты планируются с группами CN или NC, образующимися при диссоциативной адсорбции HCN на MgO, а также с молекулами N2O и NO, которые также обладают способностью к изомерии связывания.
В системах с изотопной изомерией, когда две молекулы разного изотопного состава отличаются взаимным расположением, будет изучена возможность индуцирования взаимных превращений этих комплексов под действием резонансного ИК возбуждения. Результаты этой части работы представляют интерес для создания новых сред для сверхплотной записи информации.
3. Проблема диссипации колебательного возбуждения тесно связана с задачей о механизме трансформации энергии электронного возбуждения, часть которого всегда уходит на безызлучательную релаксацию с возбуждением тех же колебательных состояний. В связи с этим планируется изучение спектров люминесценции адсорбированных молекул, измерение времени жизни и наблюдение ИК-спектра их возбужденного триплетного состояния. Тушение люминесценции кислородом, сопровождается выделением синглетного кислорода, спектральное изучение химии которого в адсорбированном состоянии представляет собой самостоятельное направление в программе планируемых исследований, результаты которых представляют интерес для экологии и медицины.
4. Данные ИК-спектроскопии будут сопоставляться с результатами квантово-механических расчетов кластерных моделей, которые, наряду с колебательными частотами и энергиями комплексов, должны позволить оценить параметры, экспериментальное измерение которых представляется невозможным или затруднительным: высоту потенциальных барьеров между двумя состояниями, константы скоростей колебательной релаксации и процессов, индуцируемых резонансным возбуждением колебаний.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения работы будет проведено исследование селективно возбуждаемых ИК излучением лазера процессов с участием адсорбированных соединений различного изотопного состава, таких как стимулированное разложение озона и HN3 на поверхности оксидов металлов, озонолиз производных этилена, CO и ряда других молекул. Будут определены условия избирательного образования изотопозамещенных продуктов на поверхности дисперсных адсорбентов. Успешная реализация таких процессов может привести к созданию новых эффективных методов разделения изотопов и синтеза изотопозамещенных соединений. Методы быстрого синтеза малых количеств веществ, содержащих короткоживущие изотопы легких элементов, представляют большой интерес для медицины, например, для метода аннигиляционной гамма-томографии головного мозга, успешно развиваемого в настоящее время в лабораториях Франции и США.
Получение новых данных о механизме гетерогенных реакций озона с галогензамещенными этилена (фреонами) представляют интерес в связи с проблемой сохранения озонового слоя и очистки атмосферного воздуха.
С применением метода ИК-фурье спектроскопии с временным разрешением будут проведены эксперименты по воздействию резонансного ИК возбуждения на системы с обратимыми изменениями под действием импульсного излучения. Для систем с изомерией связывания молекул СО будет исследована возможность стимулировать изомерный переход резонансным воздействием ИК лазера. Это позволит оценить вероятность индуцируемой облучением изомеризации и времени релаксации системы до восстановления равновесия. Кроме СО будут проведены аналогичные опыты с группами CN, а также с молекулами N2O и NO, которые также обладают способностью к изомерии связывания и системами с "изотопной изомерией" на основе дикарбонилов смешанного изотопного состава. Будут оценены перспективы использования этих явлений для создания систем сверхплотной записи информации, поскольку применяемые в настоящее время методы записи информации на магнитных носителях и лазерных дисках вплотную приблизились к теоретическому пределу плотности записи, определяемому размерами магнитных доменов или участков поверхности с изменяемыми оптическими свойствами. Предварительные оценки показывают, что реализация поверхностных систем с изомерией связывания, где изомерные структуры с двумя устойчивыми состояниями и различающимися колебательными частотами могли бы быть переводимы из одного состояния в другое контролируемым физическим воздействием в пределе может повысить плотность записи на 5-6 (!) порядков. Эти перспективы позволяют нам рассматривать данную часть проекта соответствующей одному из Направлений из Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, а именно Н1 "Переход к передовым цифровым... технологиям..." в части создания новых материалов и систем обработки больших объемов данных.
Изучение спектров люминесценции ароматических молекул в адсорбированном состоянии и их разрешенных во времени колебательных спектров при УФ-возбуждении в присутствии кислорода должно дать информацию о механизме образования синглетного кислорода, важную для экологии и медицины.
Информация о быстропротекающих процессах релаксации колебательной энергии будет получена из изучения формы контура полос поглощения поверхностных соединений. Будет изучено влияние резонансного диполь-дипольного (РДД) взаимодействия между адсорбированными молекулами SF6,CF4, NF3, CHF3 на форму контура полос в ИК- спектре, а также проявления РДД взаимодействия между различными молекулами, например NF3 и 34SF6. Полученные данные позволят оценить влияние РДД взаимодействия на время релаксации колебательного возбуждения в слое взаимодействующих адсорбированных молекул, что будет использовано при интерпретации данных и оптимизации выбора систем и условий проведения экспериментов предшествующих частей работы. Моделирование влияния РДД взаимодействия на контур спектральных полос, существенно зависящий от геометрии адсорбционного слоя, позволит наметить пути получения дополнительную информацию о строении поверхности и взаимном расположения молекул из формы спектральных полос.
Интерпретация спектральных данных будут проводиться с учетом результатов моделирования процессов адсорбции методами квантовой химии.
Таким образом, полученные результаты будут новыми и оригинальными и найдут применение в катализе, в химии атмосферы, биологии, медицине, экологии, в физике поверхности а также для развития методов разделения изотопов и разработки основ записи информации на молекулярном уровне.
Полученные результаты будут вполне соответствовать мировому уровню, а в некоторых случаях смогут превзойти его. Результаты работы будет опубликованы в рецензируемых международных научных журналах с высоким импакт-фактором. Участие студентов и аспирантов в выполнении работы и использование результатов в читаемых лекционных курсах будет способствовать повышению качества подготовки научно-педагогических кадров
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ