Плазмон-индуцируемые превращения органических веществ: от фундаментальных основ к практическому использованию

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 проекта 23-73-00117

НазваниеПлазмон-индуцируемые превращения органических веществ: от фундаментальных основ к практическому использованию

Руководитель Постников Павел Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция

Ключевые слова плазмон, гомолиз, стабильные радикалы, алкоксиамины, аддитивные технологии, химия поверхности, ковалентная модификация, фотокатализ, зеленая химия, кинетические исследования

Код ГРНТИ31.15.00 31.15.27 31.15.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Энергетический кризис, связанный с недостатком энергоресурсов, является одним из глобальных вызовов человечества. Решение проблемы сводится к разработке новых методов генерирования энергии, в том числе и с применением солнечного света. Не менее важным является рациональное ее использование в производственных процессах. Одним из основных потребителей энергии являются химические производства. Энергоемкость химических производств может быть снижена за счет разработки новых подходов к активации реакций с использованием возобновляемых источников энергии, например, солнечного света. Прогресс в данном направлении был достигнут при использовании редокс-фотокатализа, требующего относительно коротковолнового освещения. В последние годы появились междисциплинарные исследования, связанные с активацией химических реакций на поверхности наночастиц металлов (Au, Ag, Cu и Al) за счет возбуждения плазмонного резонанса. Плазмон возбуждается при использовании видимого или инфракрасного света, что позволяет проводить процессы в мягких условиях при использовании низкоэнергетических источников света. Знания в области химии плазмона находятся на начальном этапе развития, что не позволяет успешно внедрять их в практику химической технологии даже на лабораторном уровне – так, если физическая природа явления описана в деталях, то фундаментальные аспекты взаимодействия плазмона с молекулами являются вопросом дискуссионным. Проект представляет собой междисциплинарное исследование, призванное получить новые знания о вопросах взаимодействия молекул с плазмоном и разработать фундаментальные основы его использования в химической технологии и для экологических применений. В проекте планируется исследование механизмов взаимодействия молекул с плазмоном с использованием теоретических и экспериментальных подходов, разработанных, в том числе, и авторским коллективом. Ключевая роль принадлежит ресурсным центрам «Оптические и лазерные методы исследования вещества» и "Нанотехнологии" в составе ЦКП Научный парк СПбГУ, имеющим уникальные установки для оптических методов исследований в фемтосекундных шкалах, необходимые для исследования механизмов процесса с участием возбужденных состояний вещества. Результаты исследований выльются в глубокое понимание процессов плазмонной активации и позволят выявить ключевые факторы, влияющие на протекание реакций с точки зрения основных параметров плазмон-активных материалов и электронного строения молекул. Найденные закономерности реакций лягут в основу разработки методов трансформации веществ под действием плазмона. Будут разработаны гибридные материалы на основе металл-органических каркасов с внедренными плазмон-активными элементами и мезопористых металлов. Кроме того, будут созданы практически значимые методы деградации экотоксикантов с использованием солнечного света. Мы намерены разработать технологические основы процессов трансформации веществ с использованием энергии плазмона. Для этих целей планируется разработка проточных реакторов с использованием аддитивных технологий 3D-печати, в том числе и специальными полимерами. Проект будет реализовываться на стыке физической и органической химии, химии поверхности, квантовой химии, физики твердого тела и химической технологии. Проект призван по-новому взглянуть на использование инструментария органической и физической химии для достижения глубокого понимания процессов активации реакций на границе между наноматериалами и веществом. Проект будет реализован молодым, но опытным коллективом, имеющим существенный задел в предметной области и опыт междисциплинарных исследований. В качестве партнера для проведения исследований были выбраны ресурсные центры, имеющие инфраструктуру для исследования динамики процессов в фемтосекундном диапазоне, что существенно поднимет уровень исследований. Взаимосвязь опыта научного коллектива проекта с доступом к уникальному оборудованию позволит успешно решить ключевые задачи проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ольга Гусельникова, Роман Елашников, Вацлав Шворчик, Камил Заруба, Мартин Якубец, Ярослав Жадни, Ян Сторч, Олексий Лютаков Charge-transfer complexation: A highly effective way towards chiral nanoparticles endowed by intrinsically chiral helicene and enantioselective SERS detection Sensors and Actuators B: Chemical, 394, 2023, 134332 (год публикации - 2023)
10.1016/j.snb.2023.134332

2. Ольга Гусельникова, Андрий Трелин, Юнкинг Канг, Павел Постников, Макото Кобаши, Асука Сузуки, Лок Кумар Шрестха, Джоэль Хензи, Юсуке Ямаучи Pretreatment-free SERS sensing of microplastics using a self-attention-based neural network on hierarchically porous Ag foams Nature Communications, Nature Communications 15, 4351 (2024) (год публикации - 2024)
10.1038/s41467-024-48148-w

3. Дарья Воткина, Андрий Трелин, Виктор Семин, Олексий Лютаков, Вацлав Шворчик, Павел Петунин, Жерар Аудран, Сильван Р.А. Марк, Ольга Гусельникова, Павел Постников Size-dependent plasmonic activity of AuNPs for the rational design of catalysts for organic reactions Catalysis Science and Technology, Catal. Sci. Technol., 2024,14, 3707-3718 (год публикации - 2024)
10.1039/D4CY00084F

4. А. Кушнаренко, А. Забелина, О. Гусельникова, Е. Милютина, Б. Воката, Д. Забелин, В. Бурцев, Р. Валиев, З. Кольска, М. Пайдар, В. Сикора, П. Постников, В. Шворчик, О. Лютаков Merging gold plasmonic nanoparticles and L-proline inside a MOF for plasmon-induced visible light chiral organocatalysis at low temperature Nanoscale, Nanoscale, 2024,16, 5313-5322 (год публикации - 2024)
10.1039/D3NR04707E

5. Милютина Е., Степанова Е., Горбунова А., Виктосенко Ю., Васильев Д., Марес Д., Скворцова А., Бурцев В., Кольска З., Шворчик В., Постников П., Лютаков О. Local and express probing of enzymatic activity using functional plasmon active optical fiber Sensors and Actuators B: Chemical, Sensors and Actuators B: Chemical Volume 448, Part 2, 1 February 2026, 138872 (год публикации - 2026)
10.1016/j.snb.2025.138872

6. Горбунова А., Саркар С., Коголев Д., Феррад до Валли В., Остерманн М., Шахингер Т., Градил К., Иванов А., Валтинер М., Постников П., Гусельникова О. Laser Writing of Plasmonic Catalytic Microchannels on UiO-66 layer Сервер препринтов ChemRxiv, ChemRxiv, 2025 (год публикации - 2025)
10.26434/chemrxiv-2025-rh41h

7. Горбунова А., Воткина Д.Е., Семенов О., Коголев Д., Жоли Ж.-П., Марке С.Р.А., Мокка Дж.Х., Гахлават С., Валтинер М., Шевалье О., Постников П.С., Гусельникова О. Revising Model Reactions in Plasmonic Chemistry: From Nitrothiophenol Coupling to Alkoxyamine Homolysis ACS Catalysis, ACS Catal. 2025, 15, 13, 11163–11176 (год публикации - 2025)
10.1021/acscatal.5c01129

8. Хайрунниса С.З., Гусельникова О., Кан Ю., Постников П.С., Валиев Р.Р., Хилл Дж.П., Нуграха Н., Юлиарто Б., Ямаути Ю., Хензи Дж. Hyperuniform Mesoporous Gold Films Coated with Halogen-Bonding Metal–Organic Frameworks for Selective Raman Sensing of Chlorinated Hydrocarbons ACS Nano, ACS Nano 2025, 19, 30, 27890–27901 (год публикации - 2025)
10.1021/acsnano.5c09431

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Второй год реализации проекта включал в себя как продолжение исследований, начатых на первом году реализации, так и проработку последующих задач с точки зрения получения новых каталитических систем для реализации плазмон-инициируемых превращений, а также новых плазмон-инициируемых трансформаций. К числу ключевых результатов, отличающихся высокой фундаментальной новизной, можно отнести, в первую очередь, кинетические уравнения модельной реакции димеризации 4-нитробензолтиолов на поверхности плазмон-активных наночастиц, демонстрирующие границы применимости модельной реакции в реальных условиях. Кроме того, использование алкоксиаминов с различной длиной линкера позволило изучить влияние расстояния от поверхности плазмон-активной наночастицы на скорость протекания реакции в ангстремном диапазоне. Обнаруженные закономерности позволили разрабатывать новые каталитические системы с предопределенным взаимодействием с субстратами на примере иммобилизации метал-органического координационного полимера, содержащего активные центры для галогенного связывания, на поверхности пористой пленки золота, выступающей в качестве активного субстрата. С практической точки зрения полученные фундаментальные данные вылились в создание каталитических систем для плазмонного инициирования важнейших химических трансформаций. Так, гибридная каталитическая система на основе хиральные метаструктур с иммобилизованным на поверхности мезопористым золотом способна генерировать хиральное поле при возбуждении плазмона для энантиоселективной деградации энантиомеров металаксила. Полученный результат открывает новые перспективы для энантиоселективных превращений, протекающих под действием низкоэнергетических источников света. Не менее важным является хемоселективность протекания реакций восстановления тройных связей с использованием катализатора Au@Pt при низких температурах. Обнаружение данного феномена открывает новые перспективы для использования плазмонных катализаторов в хемоселективных превращениях. По результатам проведенных исследований было подготовлено 3 статьи, одна из которых получила положительную оценку из редакции журнала ACS Catalysis и будет отправлена после мелких исправлений. Вторая статья отправлена в редакцию журнала Nature Comm., и третья статья в ближайшем будущем будет отправлена в журнал Nature Catalysis. В целом, все запланированные научные результаты успешно достигнуты.

Публикации