Химики Томского политехнического университета в рамках международного сотрудничества создали уникальные кристаллы, демонстрирующие анизотропные оптические характеристики: в зависимости от угла поворота эти кристаллы способны поглощать плоскополяризованный свет.
При этом различие в уровне поглощения в одном и том же кристалле может достигать пяти раз. Это открытие может стать основой для создания нового поколения оптических сенсоров и спинтронных устройств. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (№24–73–10026) и Министерством науки и высшего образования РФ (программы №075–03–2024–118/1). Результаты работы учёных опубликованы в журнале Chinese Journal of Structural Chemistry (Q1, IF: 10,3).
Линейный дихроизм, или феномен селективного поглощения света с определённой поляризацией, хорошо изучен для неорганических и органических молекул. Это свойство способствует разработке наноразмерных оптических устройств, высокоэффективных поляризаторов, материалов, реагирующих на внешние воздействия, и многих других приложений. Однако подобные характеристики у органических стабильных радикалов ранее не фиксировались в научной литературе.
Учёные Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ совместно с коллегами синтезировали ряд стабильных нитронил-нитроксильных радикалов и получили их монокристаллы, обладающие свойством оптической анизотропии, то есть их поглощающие характеристики варьируются в зависимости от направления поляризации падающего света. Один из образцов оказался почти полностью оптически прозрачным в видимой области спектра при определённом положении плоскости поляризации луча, в то время как поворот на 90 градусов приводил к снижению интенсивности света в 30 раз.
«Эта работа — пример того, насколько важно внимательно следить за экспериментацией. Поскольку наше открытие возникло из случайно замеченного факта. В данный момент в лаборатории мы исследуем магнитные органические материалы на основе стабильных радикалов. Такие структуры изучаются в виде монокристаллов — они должны обладать чёткой упорядоченной структурой атомов внутри твердой фазы, иначе исследование молекулярного магнетизма становится затруднительным. Мы вырастили кристаллы одного из нитроксильных радикалов и обнаружили, что они имеют два различных цвета: наряду со стандартными образцами насыщенного синего цвета также присутствовали кристаллы бледно-зеленого цвета. Сначала мы решили, что эксперимент не удался. Однако после серии анализов выяснили, что между кристаллами нет различий с точки зрения молекулярной структуры. Более того, при детальном рассмотрении оказалось, что синий и зеленый цвета являются взаимопереходящими и зависят от угла обзора. Мы фактически открыли и продемонстрировали, что у магнитных материалов на основе стабильных радикалов есть эффекты линейного дихроизма»,— говорит один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
Оптические характеристики полученных соединений изучались с использованием электронной спектроскопии, после чего особенности расположения молекул в кристалле определялись методом рентгеновской дифракции. Комплексный анализ экспериментальных данных, дополненный квантово-химическими расчетами, дал возможность установить необходимые условия для возникновения линейного дихроизма в кристаллах органических радикалов.
Результаты исследования могут стать основой для создания гибридных устройств, чувствительных одновременно к магнитным полям и плоскополяризованному свету, например, нового поколения оптических сенсоров и спинтронных устройств.
В исследовании участвовали учёные 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.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки
Фото: hi-tech.mail.ru