Ученые на пути к химическому синтезу метаматериалов. Источник: depositphotos.com

Ученые на пути к химическому синтезу метаматериалов

Ученые из Университета ИТМО, Лейпцигского университета и Университета Эрлангена – Нюрнберга синтезировали новый кристаллический материал из ионов железа, соединенных органическими мостиками. Материал обладает ярко выраженными нелинейно-оптическими эффектами, потенциально присущими метаматериалам – особым искусственным структурам, способным необычным образом управлять распространением света. В то время как обычно изготовление метаматериалов подразумевает использование сложных производственных процессов, новый материал был впервые синтезирован химически. Использование его оптических особенностей может оказаться полезным при создании широкого спектра оптических устройств.

Как сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Dalton Transactions, новый материал относится к классу металлоорганических каркасов (MOF – Metal-Organic Frameworks) и обладает кристаллической структурой из кластеров железа, связанных органическими соединениями, или лигандами. Наиболее очевидным свойством материала является его гигантская пористость, которая обеспечивает наличие множества активных центров внутри кристалла для осуществления катализа, сорбции газов, разделения и транспортировки веществ. Однако ученые предлагают рассматривать такие структуры с совершенно иной точки зрения.

«В кристалле чередуются ионы металлов, образующие атомарные нити и обладающие электроно-проводящими свойствами, и диэлектрические органические мостики. Таким образом, мы получаем подобие существующих метаматериалов с уникальной оптической активностью. То есть теперь мы можем утверждать, что в будущем метаматериалы можно будет получать химическим путем», – рассказывает Александр Виноградов, ведущий сотрудник Международной лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Университета ИТМО.

Молекулярная структура кристалла в трех проекциях. Химические элементы: Fe - железо, O - кислород, C - углерод, H - водород. Атомы O, C, H - это органическая составляющая материала
Молекулярная структура кристалла в трех проекциях. Химические элементы: Fe - железо, O - кислород, C - углерод, H - водород. Атомы O, C, H - это органическая составляющая материала

Оптические свойства материала такого класса обнаружены учеными впервые и открывают широкие перспективы для создания оптических устройств нового поколения.

«Комбинация магнитных свойств, оптической активности и высокой пористости полученного нами MOF позволит на наноуровне управлять полярными молекулами (ориентировать их в необходимом направлении), усиливать присущие MOF нелинейно-оптические свойства или формировать новые, такие как резонансный транспорт энергии, эффекты сверхизлучения и многое другое», – отмечает Валентин Миличко, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Металлорганические каркасы – это синергизм органики и неорганики, который может дать куда более интересные и полезные свойства, чем представлялось ранее. Одно такое свойство исследователи продемонстрировали впервые: это гигантское двойное лучепреломление во всем видимом диапазоне, то есть расщепление луча света, проходящего сквозь микронный слой кристалла, на две составляющие. Этот эффект широко используется в устройствах для управления поляризацией света (в поляризаторах или поляризационных делителях), а также в нелинейно-оптических кристаллах для преобразования оптических частот.

Между тем большинство металлоорганических каркасов как раз являются нелинейными кристаллами, также способными изменять оптические частоты.

«Существующие неорганические нелинейные кристаллы, – продолжает Валентин Миличко, – в большинстве случаев уступают полученным нами MOF по показателю двойного лучепреломления, поскольку органическая составляющая способна значительно усилить "нелинейность", а чисто органические нелинейно-оптические кристаллы имеют низкую стабильность».

Уникальную оптическую активность материалу придало совмещение ионов железа с тетракарбоновым лигандом на основе антрацена. Это соединение сыграло роль связующего между ионами железа, присоединив их к своим четырем концевым группам. По словам ученых, таким образом в материале и возникла сильная анизотропия (неодинаковость) свойств в различных направлениях.

Cтруктура кристалла, увеличение двойного лучепрломления
Cтруктура кристалла, увеличение двойного лучепрломления

Сложность создания материала заключалась в синтезе нового лиганда. Наличие в образце даже нескольких молекул примесей существенно снижает качество кристаллов или вовсе останавливает процесс их получения, поэтому добиться высочайшей чистоты материалов – всегда очень сложная синтетическая задача. Данная проблема была решена сотрудниками Института неорганической химии Лейпцигского университета.

Исследователям из Международной лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий удалось «закоординировать» полученный лиганд ионами железа, то есть присоединить их к нему со всех сторон, и тем самым получить заветный кристалл. В Международном научно-исследовательском центре нанофотоники и метаматериалов были изучены оптические свойства материала.

Исследование было проведено под руководством Евымарии Хей-Хоукинс, профессора Лейпцигского университета, руководителя одной из лучших химических научных школ мира. На протяжении 5 лет научные группы Александра Виноградова и Евымарии Хей-Хоукинс осуществляют совместную исследовательскую деятельность в области создания новых материалов. В этом году в рамках проекта «Эразмус +» были организованы трех- и пятимесячные стажировки в Лейпциге для магистрантов и аспирантов Университета ИТМО.

Статья: A. V. Vinogradov, V. A. Milichko, E. Hey-Hawkins et al., Unique anisotropic optical properties of a highly stable metal-organic framework based on trinuclear iron (III) secondary building units linked by tetracarboxylic linkers with an anthracene core, Dalton Transactions, February 12, 2016:

Тамара Беседина

Центр научных коммуникаций Университета ИТМО 

 

Архив по годам:
Пресс-служба