Химики Томского политехнического университета в составе международного коллектива получили уникальные кристаллы, проявляющие анизотропные оптические свойства – в зависимости от угла поворота эти кристаллы могут поглощать плоско-поляризованный свет. При этом разница в уровне поглощения в одном и том же кристалле может достигать пяти раз. Это открытие в перспективе может лечь в основу разработки нового поколения оптических сенсоров и спинтронных устройств.
Доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин. Источник: пресс-служба ТПУ
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№24-73-10026) и Министерством науки и высшего образования РФ (программы №. 075-03-2024-118/1). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Chinese Journal of Structural Chemistry (Q1, IF: 10,3).
Линейный дихроизм, или явление избирательного поглощения света, имеющего определенное направление поляризации, хорошо изучено для неорганических и органических молекул. Это свойство позволяет разрабатывать наноразмерные оптические устройства, высокоэффективные поляризаторы, материалы, селективно реагирующие на внешние стимулы, и многое другое. Однако подобные свойства у органических стабильных радикалов ранее в научной литературе не отмечались.
Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ совместно с коллегами синтезировали ряд стабильных нитронил нитроксильных радикалов и получили их монокристаллы, которые обладают свойством оптической анизотропии, то есть их поглощающие свойства меняются в зависимости от направления поляризации падающего света. Так, один из образцов был близок к полной оптической прозрачности в видимой области спектра при определенном положении плоскости поляризации луча, в то время как поворот на 90 градусов приводил к ослаблению интенсивности света в 30 раз.
Монокристаллы стабильных нитронил нитроксильных радикалов. Источник: пресс-служба ТПУ
«Эта работа – олицетворение того, насколько важно следить за ходом протекания экспериментов. Потому что наше открытие появилось из случайно замеченного факта. Сейчас в лаборатории мы работаем с магнитными органическими материалами на основе стабильных радикалов. Такие структуры исследуются в виде монокристаллов – они должны иметь четкую упорядоченную структуру атомов внутри твердой фазы, в противном случае исследование молекулярного магнетизма затруднительно. Мы вырастили кристаллы одного из нитроксильных радикалов и обнаружили, что они имеют два разных цвета: вместе со стандартными образцами насыщенного синего цвета также были кристаллы бледно-зеленого цвета. Сначала мы решили, что эксперимент провалился. Однако после ряда анализов выяснилось, что разницы между кристаллами с точки зрения молекулярной структуры нет. Более того, при детальном рассмотрении оказалось, что синий и зеленый цвета являются взаимопереходящими и зависят от угла обзора. Мы фактически открыли и доказали, что у магнитных материалов на основе стабильных радикалов имеются эффекты линейного дихроизма», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
Оптические свойства полученных соединений исследовались с помощью электронной спектроскопии, а затем особенности расположения молекул в кристалле устанавливались методом рентгеновской дифракции. Всесторонний анализ экспериментальных данных, дополненный квантово-химическими расчетами, позволил установить необходимые условия для появления линейного дихроизма в кристаллах органических радикалов.
Результаты исследования могут лечь в основу создания гибридных устройств, чувствительных одновременно к магнитным полям и плоско-поляризованному свету, например, нового поколения оптических сенсоров и спинтронных устройств.
В исследовании приняли участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, 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), Института органической химии им. Н.Д. Зелинского и СПбГУ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Томского политехнического университета
