|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Гибридные ЖК-композиты на основе пористых органических и неорганических материалов, наполненных фотохромными низкомолекулярными и полимерными жидкими кристалламиНИР
Hybrid LC-composites based on porous organic and inorganic materials filled with photochromic low-molar-mass and polymeric liquid crystals
- Руководитель НИР: Бобровский А.Ю.
- Участники НИР: Амелехина С.А., Аржакова О.В., Баленко Н.В., Богданов А.В., Бойчук А.И., Бугаков М.А., Кочкарева Э.И., Муравьева В.А., Свяховский С.Е., Швецов С.А., Шибаев В.П.
- Подразделение: Кафедра высокомолекулярных соединений
- Срок исполнения: 14 февраля 2019 г. - 25 декабря 2021 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-03-00337
- Номер ЦИТИС: АААА-А19-119011090085-3
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям
- ПН России: Индустрия наносистем
- Критическая технология России: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.25.15 Структура и свойства природных и синтетических высокомолекулярных соединений
- 31.25.19 Синтез высокомолекулярных соединений. Физико-химические основы синтеза высокомолекулярных соединений
- Классификатор OECD: Полимеры
-
Ключевые слова:
одномерные фотонные кристаллы, фотохромизм, азобензол, пористые полиолефины, жк полимеры, пористый кремний, жидкие кристаллы, фотооориентация, гибридные композиты
hybrid composites, porous polyolefins, porous silicon, photoorientation, photochromism, lc polymers, liquid crystals, azobenzene, one-dimensional photonic crystals -
Описание:
Проект направлен на решение фундаментальных задач, связанных с разработкой подходов к получению новых классов гибридных жидкокристаллических (ЖК) композитов на основе пористых органических и неорганических материалов, наполненных фотохромными низкомолекулярными и полимерными жидкими кристаллами. В ходе выполнения проекта будет получена важная информация о влиянии структуры пористых матриц (топологии пор) и их химической природы на фотооптические процессы разного типа (изотермические фазовые переходы, фотоориентация), разработан новый подход к оценке степени ориентации полимерных пористых матриц. Кроме того, будут предложены подходы к получению новых материалов с фоторегулируемыми механическими свойствами, в частности, фотоактюаторов. Разработанные в проекте композиты нового типа на основе полиолефиновых и кремниевых матриц будут обладать уникальными фоторегулируемыми оптическими свойствами, которые следует рассматривать как перспективные материалы для создания оптических элементов для фотоники и оптоэлектроники.
-
Abstract:
The project is aimed at solving fundamental problems related to the development of approaches to obtaining new classes of hybrid liquid crystalline (LC) composites based on porous organic and inorganic materials filled with photochromic low-molecular-mass and polymeric liquid crystals. Porous polyolefins, polyethylene and polypropylene, obtained by uniaxial deformation of polymers in the presence of physically active liquid media by the mechanism of crazing, will be used as organic porous materials. In the course of the project, important information will be obtained on the effect of the structure of porous matrices (pores topology) and their chemical nature on photooptical processes of different types (isothermal phase transitions, photoorientation), and a new approach to estimation of the degree of orientation of polymer porous matrices is developed. In addition, approaches will be proposed to obtaining new materials with photoregulated mechanical properties, in particular, photoactuators. The new type of composites based on polyolefin and silicon matrices developed in the project will have unique photocontrollable optical properties and could be considered as promising materials for the creation of optical elements for photonics and optoelectronics.
-
Планируемые результаты:
В проекте будут получены новые гибридные фотохромные композитные системы. Первый тип композитов будет представлять собой гибкие плёнки на основе мезопористых полиолефинов, наполненных фотохромными низкомолекулярными ЖК-смесями и полимерами. Будет выявлено влияние пористости, химической природы и топологии пористой структуры на фотооптические свойства таких гибридных композитов, продемонстрирована фотооптическая запись скрытого изображения при помощи облучения с использованием масок, а также изучена возможность голографической записи дифракционных решёток на таких системах. Второй тип композитов – фотонные одномерные кристаллы, полученные электрохимическим травлением кремния и также наполненные фотохромными низкомолекулярными ЖК-смесями и полимерами для которых будет реализован обратимый сдвиг фотонной запрещённой зоны за счёт процессов фотоизомеризации и фотоориентации фотохромных групп наполнителей.
-
Научный задел:
Коллектив участников проекта имеет большой опыт создания и исследования нанопористых полимеров, фотонных кристаллов на основе кремния и кварца, многофункциональных жидкокристаллических (ЖК) систем, включая низкомолекулярные и полимерные жидкие кристаллы, ЖК дендримеры и композиты. Проект построен на междисциплинарном сотрудничестве трёх лабораторий МГУ им. М.В. Ломоносова - химического и физического факультетов. В лаборатории структуры полимеров химического факультета проведены фундаментальные исследования механизма крейзинга аморфных стеклообразных и частично кристаллических полимеров в присутствии физически активных жидких сред. Впервые была разработана новая методика он-лайн исследования структуры полимеров при деформировании по механизму крейзинга путем проведения прямых микроскопических наблюдений за структурной эволюцией образцов в процессе деформирования. В лаборатории химических превращений полимеров химического факультета в течение продолжительного времени ведутся исследования направленные на создание новых подходов к фоторегулированию оптических свойств ЖК полимеров гребнеобразного строения, ЖК полимерных композитов. Впервые синтезированы холестерические сополимеры, содержащие уникальные хирально-фотохромные боковые группы, важным преимуществом которых является возможность недеструктивного считывания, что важно для разработки новых методов записи и хранения информации. В лаборатории нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов физического факультета более 20 лет исследуется методика изготовления фотонных кристаллов на основе пористого кремния. Методика усовершенствована и модифицирована для получения фотонных кристаллов с большим числом периодов. Коллектив участников проекта имеет высокую квалификацию во всех вышеупомянутых областях исследований и располагает основным оборудованием, необходимым для выполнения проекта.
-
Основные результаты:
Получены и исследованы новые гибридные ЖК-композиты на основе пористых органических и неорганических материалов, наполненных фотохромными низкомолекулярными и полимерными жидкими кристаллами. В качестве органических матриц были использованы пористые полиолефины (полиэтилен и полипропилен), в качестве неорганических – фотонные структуры на основе пористого кремния. Введением нематических ЖК смесей с дихроичным красителем в матрицы пористого полиэтилена и полипропилена получены новые ЖК-композиты – гибкие плёнки, обладающие уникальными оптическими свойствами (двулучепреломление и дихроизм). Методом поляризационной спектроскопии (поглощение и люминесценции) исследовано влияние степени вытяжки пористого полиэтилена на степень ориентации молекул жидкого кристалла. Продемонстрированы возможности управления под действием УФ света дихроизмом и степенью поляризации композитов, наполненных фотохромной нематической азобензол-содержащей смесью, допированной флуоресцентным красителем. Разработаны новые подходы к созданию фотоуправляемых фотонных кристаллов на основе пористого кремния и продемонстрирован их большой потенциал для создания фотопереключаемых материалов. Для этого пористые пластины на основе кремния были заполнены фотохромными низкомолекулярными нематическими жидкими кристаллами и ЖК сополимерами. Показано, что УФ-облучение композитов с низкомолекулярными ЖК смесями вызывает смещение фотонной запрещенной зоны в длинноволновую область спектра на ≈10 нм. В случае композитов на основе кремния наполненного азобензол-содержащим сополимером воздействие поляризованным синим светом приводит к спектральным изменениям фотонной запрещенной зоны (расщеплению резонансной моды), связанным с фотоориентацией азобензольных фрагментов внутри пор кремния в направлении, перпендикулярном плоскости поляризации падающего света. Полученные фотохромные ЖК-композиты можно рассматривать как новые перспективные материалы для применения в фотонике.
- Добавил в систему: Шибаев Валерий Петрович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 14 февраля 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Гибридные ЖК-композиты на основе пористых органических и неорганических материалов, наполненных фотохромными низкомолекулярными и полимерными жидкими кристаллами |
| Результаты этапа: В ходе первого года выполнения проекта были получены новые мезопористые органические и неорганические матрицы на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и кремния. Методами атомной силовой и сканирующей электронной микроскопии изучена их микроструктура. Для фотонных структур на основе пористого кремния изучены спектры отражения и показано наличие запрещённой зоны в видимой области спектра (604 нм). Получены первые жидкокристаллические (ЖК) композиты на основе полученных матриц введением нематических ЖК смесей с дихроичными и фотохромными красителями. Исследовано влияние степени вытяжки пористого ПЭВП на степень ориентации молекул жидкого кристалла; обнаружен спектральный сдвиг фотонной зоны (113 нм) композитов с кремнием в длинноволновую область спектра. Спектральными методами обнаружено, что молекулы нематического жидкого кристалла ориентированы вдоль пор фотонной структуры кремния, т.е. вдоль нормали к поверхности пластин. Изучена температурная зависимость степени ориентации ЖК молекул в композите. Обнаружено, что параметр нематического порядка (степень ориентации молекул) заметно ниже (S~0.4), чем для слоя нематика в стеклянной ячейке (S~0.7), что, по-видимому, связано с наличием дефектов на поверхности нанопор. | ||
| 2 | 10 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Гибридные ЖК-композиты на основе пористых органических и неорганических материалов, наполненных фотохромными низкомолекулярными и полимерными жидкими кристаллами |
| Результаты этапа: В ходе данного этапа проекта проведены исследования по созданию механочувствительных полимерных матриц на основе полиэтилена высокой плотности с размерами пор в диапазоне до 20 нм. Такого рода материалы могут служить уникальными мезопористыми матрицами для введения различного рода низкомолекулярных добавок, включая жидкокристаллические соединения. При сравнении с существующими аналогами уникальность полученных «живых» ЖЭ ПЭВП материалов, в первую очередь, определяется их способностью к обратимому «залечиванию» и восстановлению пористости в процессе циклического нагружения, что позволяет использовать такого рода полимеры как механочувствительные материалы с эффектом памяти, а также как мезоструктурированные матрицы для введения низкомолекулярных добавок, включая жидкокристаллические (ЖК) соединения. Введением нематических ЖК смесей с дихроичным красителем в матрицы пористого ПЭВП, способного к большим обратимым деформациям, получены новые жидкокристаллические (ЖК) композиты. Методом поляризационной спектроскопии исследовано влияние степени вытяжки пористого ПЭВП на степень ориентации молекул жидкого кристалла. Показано, что степень ориентации слабо зависит от степени вытяжки (при степенях вытяжки от 50 до 195%) и незначительно снижается при релаксации до 100%. Получены новые фотоуправляемые фотонные кристаллы на основе пористого кремния и продемонстрирован их большой потенциал для создания фотопереключаемых материалов. Для этого пористые пластины на основе кремния заполнены фотохромной ЖК нематической смесью, состоящей из 4-пентил-4'-цианобифенила и производного азобензола. Анализ результаты электронного парамагнитного резонансная спектроскопии показал, что молекулы ЖК смеси ориентированы вдоль пор кремниевых пластин. УФ-облучение (375 нм) полученных композитов вызывает смещение фотонной запрещенной зоны в длинноволновую область спектра на ≈10 нм. Это явление объясняется изотермическим фотоиндуцированным фазовым переходом нематик – изотропный расплав, связанный с образованием Z-изомера азобензольного соединения, характеризующегося низкоанизометричной изогнутой формой. Во ходе этого процесса эффективный показатель преломления увеличивается по мере того, как изначально гомеотропная ориентация ЖК молекул переходит в изотропное неориентированное состояние. Этот процесс полностью обратим под действием видимого света (428 нм) и может быть осуществлён много раз. Полученные фотохромные ЖК-композиты можно рассматривать как новый перспективный материал для применения в фотонике. | ||
| 3 | 15 февраля 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Гибридные ЖК-композиты на основе пористых органических и неорганических материалов, наполненных фотохромными низкомолекулярными и полимерными жидкими кристаллами |
| Результаты этапа: 1. Получены и исследованы механочувствительные полимерные матрицы на основе полиэтилена высокой плотности с размерами пор в диапазоне до 20 нм. Показано, что такие материалы являются уникальными мезопористыми матрицами для введения различного рода низкомолекулярных добавок, включая ЖК-смеси. 2. Введением нематических ЖК смесей с дихроичным красителем в матрицы пористого полиэтилена и полипропилена получены новые ЖК-композиты – гибкие плёнки, обладающие уникальными оптическими свойствами (двулучепреломление и дихроизм). Методом поляризационной спектроскопии (поглощения и люминесценции) исследовано влияние степени вытяжки пористого полиэтилена на степень ориентации молекул жидкого кристалла. Показано, что ориентация ЖК молекул вначале резко растёт при деформации плёнок, но при степенях вытяжки от 50 до 195% слабо зависит от её степени. 3. Продемонстрированы возможности управления под действием УФ света дихроизмом и степенью поляризации композитов на основе полипропилена, наполненного фотохромной нематической азобензол-содержащей смесью, допированной флуоресцентным красителем пиррометенового ряда. УФ облучение приводит к резкому падению дихроизма поглощения и степени поляризации флуоресценции до нулевых значений за счёт фотоиндуцированного изотермического фазового перехода из нематической в изотропную фазу. 4. Разработаны новые подходы к созданию фотоуправляемых фотонных кристаллов на основе пористого кремния и продемонстрирован их большой потенциал для создания фотопереключаемых материалов. Для этого пористые пластины на основе кремния были заполнены фотохромными низкомолекулярными нематическими жидкими кристаллами и ЖК сополимерами. Показано, что УФ-облучение композитов с низкомолекулярными смесями вызывает смещение фотонной запрещенной зоны в длинноволновую область спектра на ≈10 нм. Это явление объясняется изотермическим фотоиндуцированным фазовым переходом нематик – изотропный расплав, связанный с образованием Z-изомера азобензольного соединения, характеризующегося низкоанизометричной изогнутой формой. В ходе этого процесса эффективный показатель преломления увеличивается по мере того, как изначально гомеотропная ориентация ЖК молекул в порах композита переходит в изотропное неориентированное состояние. Этот процесс полностью обратим под действием видимого света (в синей области спектра) и может быть осуществлён много раз. 5. В случае композитов на основе кремния наполненного азобензол-содержащим сополимером воздействие поляризованным синим светом приводит к спектральным изменениям фотонной запрещенной зоны (расщеплению резонансной моды), связанным с фотоориентацией азобензольных фрагментов внутри пор кремния в направлении, перпендикулярном плоскости поляризации падающего света. Изучена кинетика фотоиндуцированного расщепления резонансной моды. Наблюдаемые фотоиндуцированные изменения полностью обратимо, и нагрев композитов до температур выше изотропизации или стеклования полностью восстанавливает исходную форму спектра фотонной запрещенной зоны. Проведены сравнительные исследования термической и временной стабильности полученного фотоиндуцированного расщепления. 6. Построены теоретические модели описывающие спектры отражения композитов, состоящих из многослойных фотонных кристаллов на основе пористого кремния, поры которых заполнены ЖК смесями или полимерами с наведённой под действием поляризованного света оптической анизотропией. Рассчитанные спектры хорошо согласуются с экспериментальными данными. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".