Изучение закономерностей формирования слоев толщиной в одну молекулу — одна из актуальных задач физики, химии и нового технологического направления «наноархитектоника», в рамках которого с помощью наносинтеза и перегруппировки структурных единиц (атомов, молекул или нанообъектов) возможно проектировать и получать новые материалы.
Перспективными «кирпичиками» для наноархитектоники являются производные порфиринов — сложные вещества, широко распространенные в живой природе. Типичные примеры — гемоглобин и хлорофилл.
Одной из задач проекта было исследование закономерностей формирования на поверхности воды и твердых подложек единичных слоев четырех производных порфиринов с симметричным и асимметричным замещением, впервые синтезированных коллегами саратовцев по гранту из Ивановского государственного университета. На эти процессы влияет очень много факторов: химическое окружение, температура, особенности упаковки молекул в нанослое. Экспериментально было подтверждено, что повышение температуры ведет к разрыхлению плавающих слоев порфирина, что напрямую влияет на их стабильность.
«При температурах около 20 пленки имеют максимальную сплошность и минимальную шероховатость», — уточняет инженер лаборатории пленочных наноструктурированных материалов Татьяна Каратышова.
Наряду с этим ожидаемым результатом были получены нетривиальные. Так, оказалось, что фактор структурной организации молекул в слое вполне может конкурировать с фактором, связанным с химической природой окружающих молекул. Известно, что молекулы порфиринов в присутствии кислоты способны переходить из депротонированного состояния в протонированное или наоборот, когда дополнительный атом водорода присоединяется к молекуле порфирина или когда покидает ее. Специалисты обнаружили, что такой переход молекул порфирина в составе слоя может происходить не только при изменении концентрации кислоты в водной субфазе, но и в зависимости от того, как сильно сжат этот слой на поверхности воды. О таких особенностях свойств конденсированных слоев в первую очередь свидетельствуют спектральные характеристики — спектры поглощения и люминесценции.
Еще одним неочевидным выводом работы стало сохранение протонированного состояния и типа организованных агрегатов молекул плавающего слоя при переносе его на твердую подложку и даже при нагреве образцов почти до температуры плавления пленки.
О тонкостях работы рассказал руководитель проекта — заведующий лабораторией пленочных наноструктурированных материалов, доцент кафедры материаловедения, технологии и управления качеством Саратовского университета Евгений Глуховской:
«Наша группа проверяла разное сочетание условий и их влияние на свойства одинарных слоев молекул. Например, под воздействием температуры молекулы становятся более подвижными и менее привязанными к воде, что непосредственно отражается на состоянии всего слоя, на его упаковке. При разных температурах они формируют уплотненное или разреженное состояние при разных площадях, упаковываются в двойные или одинарные слои».
Важные выводы были получены во время наблюдения за химическими и физическими факторами воздействия на молекулы порфирина.
«Если молекулы порфирина уложить на воде так, чтобы макроцикл располагался горизонтально, и в воду добавить кислоту, то слой таких молекул поменяет цвет. У них возникнут дополнительные заряды на некоторых участках, что заставит их складываться с другими молекулами в агрегаты какого-либо типа. Но при торцевом сжатии слоя, при увеличении давления молекулы в слое перестраиваются и их взаимодействие с водой ослабевает, а слой меняет цвет с зеленого на красный», — делится инженер лаборатории пленочных наноструктурированных материалов Владислав Миронюк.
Как показали эксперименты, оптические свойства слоев и пленок порфиринов сильно зависят и от температуры субфазы или подложки, на которую перенесен слой.
Комбинация порфиринов и квантовых точек может стать основой для солнечных батарей с улучшенными характеристиками и способствовать развитию альтернативных источников энергии.
Исследованные саратовскими учеными закономерности в изменении свойств синтезированных веществ в зависимости от внешних факторов не только открывают новые горизонты для создания высокоэффективных фотовольтаических устройств на основе тонкопленочных структур, но и позволяют по-новому взглянуть на роль и особенности поведения производных порфиринов, таких как гемоглобин или хлорофилл, в живой природе.
«Знания свойств и поведения порфириновых молекул в конкретных физических и химических условиях необходимы, чтобы управлять молекулами: выстроить их в нужном для устройства порядке, заставить их лежать или повернуться. Все это можно контролировать комбинированием определенных условий, — заявляет Евгений Глуховской.— После упорядочения слой молекул порфирина может использоваться как готовая подложка для молекулярной микросхемы, а если быть точным — наносхемы».
Логическим продолжением темы является выстраивание порфириновых молекул в виде молекулярных каркасов. Но ученые оставляют эту задачу на будущее.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 21−73−20057) и согласуется со стратегическими проектами СГУ в рамках федеральной программы «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты».
Подготовлено при поддержке Минобрнауки.
