Ученые из Томского политехнического университета, работавшие в составе международной группы, синтезировали уникальные кристаллы, демонстрирующие анизотропные оптические характеристики: их способность поглощать поляризованный свет меняется в зависимости от угла поворота. Внутри одного кристалла разница в степени поглощения может достигать пятикратной. Данное открытие открывает возможности для создания принципиально новых оптических сенсоров и спинтронных устройств.
Данная работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (№24-73-10026) и Министерством науки и высшего образования РФ (программы № 075-03-2024-118/1). О результатах работы ученых сообщено в журнале Chinese Journal of Structural Chemistry (Q1, IF: 10,3).
Избирательное поглощение света, поляризация которого направлена определенным образом, известное как линейный дихроизм, давно и хорошо исследовано для неорганических и органических молекул. Благодаря этому свойству создаются наноразмерные оптические устройства, высокоэффективные поляризаторы, материалы, способные селективно реагировать на внешние воздействия, и другие инновационные решения. Однако до настоящего времени подобные характеристики для органических стабильных радикалов в научных публикациях не описывались.
Совместная работа ученых из Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ и их коллег привела к синтезу нескольких стабильных нитронил нитроксильных радикалов и получению их монокристаллов. Эти кристаллы характеризуются оптической анизотропией, что означает изменение их способности к поглощению света в зависимости от направления поляризации падающего излучения. Например, один из полученных образцов демонстрировал практически полную оптическую прозрачность в видимом спектре при определенном угле поляризации, однако поворот луча на 90 градусов приводил к 30-кратному снижению интенсивности света.
«Данная работа демонстрирует, насколько необходимо внимательно отслеживать ход экспериментов. Ведь наше открытие стало результатом случайно замеченного факта. В настоящее время в лаборатории мы занимаемся изучением магнитных органических материалов, основанных на стабильных радикалах. Такие структуры исследуются в форме монокристаллов – для успешного исследования молекулярного магнетизма им требуется четкая, упорядоченная структура атомов внутри твердой фазы. Мы синтезировали кристаллы одного из нитроксильных радикалов и обнаружили, что они обладают двумя разными цветами: наряду со стандартными образцами насыщенного синего цвета присутствовали кристаллы бледно-зеленого цвета. Первоначально мы предположили, что эксперимент не удался. Однако в результате ряда анализов выяснилось, что кристаллы не отличаются друг от друга по молекулярной структуре. Более того, при детальном рассмотрении стало очевидно, что синий и зеленый цвета взаимосвязаны и зависят от угла обзора. Фактически, мы открыли и подтвердили наличие эффектов линейного дихроизма у магнитных материалов на основе стабильных радикалов», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
Электронная спектроскопия была использована для изучения оптических свойств полученных соединений, а рентгеновская дифракция – для определения структуры молекул в кристалле. Комплексный анализ экспериментальных данных, подкрепленный квантово-химическими расчетами, позволил выявить факторы, определяющие возникновение линейного дихроизма в кристаллах органических радикалов.
Полученные в ходе исследования данные могут послужить базой для разработки комбинированных устройств, реагирующих на магнитные поля и плоскополяризованный свет, таких как оптические сенсоры нового поколения и спинтронные приборы.
В исследовании задействованы ученые из 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.
Пресс-служба Томского политехнического университета предоставила информацию и фотографии