Ученые ТПУ открыли уникальные оптические свойства кристаллов на основе радикалов
Химики Томского политехнического университета (ТПУ), действуя в составе международной научной группы, успешно синтезировали уникальные кристаллы, демонстрирующие анизотропные оптические свойства. Эти материалы обладают способностью по-разному поглощать плоскополяризованный свет в зависимости от угла своего поворота. Примечательно, что разница в поглощении света одним и тем же кристаллом может достигать впечатляющих пятикратных значений. Это значимое открытие в перспективе способно заложить фундамент для разработки нового поколения высокоэффективных оптических сенсоров и инновационных спинтронных устройств.
Данное исследование было поддержано Российским научным фондом (грант №24–73–10026) и Министерством науки и высшего образования РФ (в рамках программ №075–03–2024–118/1). Полные результаты работы ученых были опубликованы в престижном научном журнале Chinese Journal of Structural Chemistry, который входит в первый квартиль (Q1) и имеет импакт-фактор 10,3.
Явление линейного дихроизма, характеризующееся избирательным поглощением света с определенным направлением поляризации, хорошо изучено для множества неорганических и органических молекул. Это свойство широко используется в создании наноразмерных оптических устройств, высокоэффективных поляризаторов и материалов, которые избирательно реагируют на внешние стимулы. Однако до сих пор подобные оптические характеристики у стабильных органических радикалов в научной литературе не фиксировались.
Исследователи из Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ совместно с коллегами синтезировали ряд стабильных нитронил-нитроксильных радикалов и вырастили из них монокристаллы. Эти кристаллы продемонстрировали свойство оптической анизотропии, что означает изменение их светопоглощающих характеристик в зависимости от направления поляризации падающего света. Один из изученных образцов проявил поразительный эффект: при определенном положении плоскости поляризации луча кристалл был практически полностью оптически прозрачен в видимой области спектра, в то время как поворот всего на 90 градусов приводил к колоссальному ослаблению интенсивности света в 30 раз.
«Эта работа — яркое подтверждение того, насколько важно внимательно относиться к деталям в процессе экспериментов. Наше открытие стало возможным благодаря случайно замеченному факту. В нашей лаборатории мы сейчас сфокусированы на изучении магнитных органических материалов на основе стабильных радикалов. Для таких структур критически важно исследовать их в виде монокристаллов, которые должны иметь четко упорядоченную атомную структуру в твердой фазе, поскольку иначе изучение молекулярного магнетизма становится крайне затруднительным. Когда мы вырастили кристаллы одного из нитроксильных радикалов, то с удивлением обнаружили, что они имеют два разных цвета: наряду со стандартными образцами насыщенного синего цвета появились кристаллы бледно-зеленого оттенка. Изначально мы даже подумали, что эксперимент оказался неудачным. Однако последующий анализ показал, что с точки зрения молекулярной структуры между кристаллами нет никаких различий. Более того, при детальном рассмотрении выяснилось, что синий и зеленый цвета взаимопереходят, и это зависело исключительно от угла обзора. Таким образом, мы не только открыли, но и экспериментально подтвердили наличие эффектов линейного дихроизма у магнитных материалов, созданных на основе стабильных радикалов», — прокомментировал Павел Петунин, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ и один из ключевых авторов исследования.
Оптические свойства полученных соединений были тщательно исследованы с применением электронной спектроскопии, а особенности расположения молекул в кристаллической структуре определялись методом рентгеновской дифракции. Всесторонний анализ экспериментальных данных, подкрепленный квантово-химическими расчетами, позволил ученым точно установить необходимые условия для возникновения линейного дихроизма в кристаллах органических радикалов.
Результаты данного исследования открывают широкие перспективы для создания гибридных устройств, которые будут одновременно чувствительны как к магнитным полям, так и к плоскополяризованному свету. Это может привести к разработке нового поколения высокоэффективных оптических сенсоров и значительно продвинутых спинтронных устройств.
