Научные достижения химического факультета
18.06.2020

Химики создали ландшафт "кратеров" и "холмов" на поверхности полимера

Российские ученые совместно с чешскими коллегами синтезировали жидкокристаллические полимеры (ЖК), в пленках которых под действием зеленого и красного лазеров образуют рельефные структуры, похожие на кратеры и холмы. Результаты работы опубликованы в журнале Soft Matter.

Жидкие кристаллы сочетают свойства текучей фазы и твердых кристаллических тел: они могут принимать форму сосуда, но в тоже время обладают анизотропными свойствами (физические свойства внутри структуры меняются по-разному в зависимости от направления в кристалле). Воздействие небольшого теплового, механического, магнитного или электрического поля позволяет управлять ориентацией молекул жидких кристаллов и, как следствие, их оптическими свойствами. Благодаря этой особенности жидкие кристаллы нашли широкое применение в дисплеях и экранах современных устройств. 

В 1970-ые параллельно и независимо в СССР и ФРГ были впервые синтезированы ЖК полимеры гребнеобразного строения. Структура таких ЖК-полимеров образована несколькими молекулярными фрагментами. Жесткие мезогенные (т.е. ответственные за образование ЖК-фаз) группы соединены с полимерной цепью гибкими алкильными цепочками. В качестве мезогенов химики часто используют фотохромные группы – они реагируют на световое излучение. Синтезируют такие полимеры "снизу вверх", подобно тому, как в живых системах из аминокислот собираются макромолекулы аминокислот.

"Сотрудники кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ совместно с зарубежными коллегами активно исследуют новые ЖК-полимеры. Наши специалисты создают материалы, которые перспективны в качестве бесконтактных модификаторов поверхности", - прокомментировал декан химического факультета член-корр. РАН, профессор Степан Николаевич Калмыков

Сотрудники Химического факультета МГУ, ИБХ РАН и Института физики (Чехия) синтезировали ЖК-полимеры с полиметакрилатной полимерной цепью. В качестве мезогенных группы исследователи выбрали азобензольные молекулы с разными заместителями в бензольном кольце. "Цель данной работы - изучение формирования поверхностного рельефа в образцах двух фоточувствительных ЖК-полимеров при облучении сфокусированным лазерным пучком разной длины волны. Синтез фотохромных мономеров был осуществлён нашими чешскими коллегами, с которыми у нас давнее успешное сотрудничество. Мы синтезировали полимеры на их основе и исследовали фазовое поведение и фотооптические свойства, сконцентрировавшись на изучении фотомодификации поверхности. Эти эксперименты были проведены на уникальной экспериментальной установке, которая находится в Институте Биоорганической химии и объединяет методы атомно-силовой и поляризационно-оптической микроскопии с возможностью облучения пучком лазера диаметром ок. 30 мкм", - прокомментировал один из авторов исследования, профессор РАН, главный научный сотрудник кафедры Высокомолекулярных соединений МГУ, д.х.н. Алексей Бобровский.

Исследователи обнаружили, что пленки этих полимеров под сфокусированным поляризованным светом зеленого и красного лазеров деформируются по-разному. В случае зеленого света на поверхности образуются "кратеры", тогда как для красного света ученные наблюдали асимметричные "холмы". Параметры рельефных элементов не превышают нескольких десятков нанометров.

С появления первых научных работ о гребнеобразных ЖК-полимерах были синтезированы и исследованы тысячи подобных ЖК-систем. Механизм поверхностной модификации гребнеобразных полимеров основан на фотохимическом превращении фотохромных групп, так называемой транс-цис изомеризации относительно двойных N=N связей. Такие молекулярные "включатели" инициируют структурные изменения в материале: рельеф поверхности полимера меняется в ходе светового локального воздействия. Российские исследователи впервые обнаружили формирование двух непохожих рельефов на поверхности одного полимера в зависимости от длины волны падающего излучения. Изученные в работе системы уникальны тем, что рельеф поверхности создаётся бесконтактным образом – монохроматическим излучением лазера, а тип поверхностного рельефа определяется длиной волны света.

Создание различных топографий поверхностей, их дальнейшую реконфигурацию и настройку относят к одному из направлений "интеллектуального" материаловедения. Пленки и покрытия, способные менять рельеф поверхности, модифицируют адгезию, смачиваемость и другие поверхностные свойства материала. Фотохромные ЖК полимеры сочетают в себе молекулярную самоорганизацию с возможностью управления ею под действием света, что делает их особенно интересными для таких исследований и дальнейшего применения.

Источник фото: Алексей Бобровский, Александра Кучерова/пресс-служба химического факультета МГУ