Ученые синтезировали полимер, способный светиться в разных диапазонах длин волн — от зеленого до оранжевого — в зависимости от воздействия температуры и паров воды. Так, при длительном выдерживании в комнатных условиях или при нагревании до 200°С и обезвоживании образцы материала очень слабо излучают в зеленом спектре, а при их смачивании водой наблюдается ярко-оранжевая фотолюминесценция. Благодаря таким свойствам полимер можно использовать в качестве датчика температуры и влажности, а также в роли невидимых чернил для маркировки изделий и борьбы с контрафактной продукцией.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dyes and Pigments.
Органические материалы, способные излучать свет — люминесцировать, — востребованы в медицине для исследования клеток и тканей, в оптоэлектронике в качестве материалов для светодиодов, датчиков температуры, освещенности и других, а также в химии для обнаружения различных веществ, например ионов металлов. Кроме того, такие соединения можно использовать для того, чтобы ставить на дорогие вещи (предметы искусства, драгоценности и другие) невидимые метки. Принцип их работы заключается в том, что в обычных условиях такие вещества-метки невозможно увидеть невооруженным глазом. Но при изменении температуры, влажности или освещения — в зависимости от того, на что именно реагирует вещество, — они начинают светиться. Однако дизайн таких соединений с «управляемым» свечением пока остается сложной задачей.
Ученые Новосибирского института органической химии имени Н.Н.Ворожцова (Новосибирск) синтезировали азотсодержащее производное бисфлуоренилиденметилфенилена — органического соединения, состоящего из семи углеродных колец. Это вещество имеет структуру, напоминающую пропеллер, которая позволяет ему менять люминесценцию в различных условиях. Так, шесть его колец, объединенных по три в две «лопасти», могут вращаться вокруг центрального кольца. Атомы азота авторы ввели в молекулу для того, чтобы усилить эффект подвижности «пропеллера», поскольку они смещают электронную плотность молекулы к ее краям, позволяя соединению активнее реагировать на внешние воздействия. Кроме того, введение атомов азота позволило привнести в молекулу способность формировать комплексные соединения, в том числе полимеры.
Большинство органических соединений обычно хорошо излучают в растворе, но, когда мы получаем из них кристаллы или пленки, излучение часто тушится, то есть теряет интенсивность. Это происходит из-за того, что в жесткой плоской структуре молекулы очень эффективно передают друг другу возбуждение. Кроме того, такие соединения обычно образуют прочную кристаллическую структуру, не способную меняться при воздействии внешних стимулов. А наш материал — подвижный, у него межмолекулярные взаимодействия слабее, и тушения не происходит.
- Максим Казанцев, кандидат химических наук, заведующий лабораторией органической электроники Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова
Авторы синтезировали на основе такого соединения полимеры. Эксперименты показали, что материал чувствителен к нагреванию и воздействию паров воды. Так, в стандартных условиях (при комнатной температуре и влажности 20%) образцы практически не люминесцировали (очень слабо излучали в зеленой области), а при высокой влажности (90%) ярко светились в оранжевом диапазоне. При этом удалось обратимо «переключать» эти состояния путем нагревания и смачивания образца. Благодаря этому предложенные соединения можно будет использовать в основе высокотемпературных сенсоров и датчиков влажности.
Участники исследовательского коллектива. Источник: Максим Казанцев
Исследователи также показали возможность использовать полученный полимер в качестве секретной метки, нанеся его на фильтровальную бумагу. При комнатной температуре и влажности метка была невидима, но, когда образец непродолжительное время подержали над кипящей водой, под действием горячего пара полимер стал излучать ярко-оранжевый свет.
Кроме того, благодаря атомам азота полученные вещества потенциально смогут реагировать на ионы металлов, поэтому наши соединения можно будет использовать и для их выявления, например, в почве, воде и других средах. В дальнейшем мы планируем подробнее исследовать, как нужно дополнительно изменить структуру соединения, чтобы добиться более выраженного сенсорного эффекта.
- Дарья Чешкина, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории органической электроники Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова
Графическое резюме работы. Источник: Максим Казанцев
Изображения предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Нет комментариев