Новый взгляд

Зачастую в науке бывает так, что для получения большого результата надо всего лишь посмотреть под новым углом на уже привычные вещи. Так, вот уже много лет ученые исследуют металлорганические каркасы (metal-organic frameworks, MOF). Это класс функциональных материалов, которые имеют одновременно свойства веществ с кристаллической решеткой и органических соединений. От первых они взяли четкую структуру, от вторых ― большое количество химических связей, которые позволяют им хорошо вступать в различные химические реакции, служить катализаторами или абсорбировать газы.

Однако в какой-то момент ученые обратили внимание не только на химические, но и на оптические свойства таких сложных материалов. Если в них добавить специальную оптически активную органическую молекулу (их еще называют фотохромными), то они будут по-разному взаимодействовать со светом. Если на них посветить лазером, то их молекулы перестроятся, и они станут непрозрачными. Это свойство называется изомеризацией. Однако этот процесс идет очень долго ― от нескольких минут до нескольких дней, что, казалось бы, ставит крест на практическом применении таких MOF-кристаллов.

Лазер для выключения света

Идея работы родилась в Университете ИТМО, в российско-французской лаборатории (руководитель ― Валентин Миличко) физико-технического факультета. Затем международная группа ученых из России, Франции и Нидерландов под руководством ученых из Университета ИТМО решила проверить, можно ли управлять оптическими свойствами не специальных MOF, а самых обычных металлорганических каркасов, которые уже давно используют в химической промышленности.

«Мы решили, а почему бы не взять серию MOF, которые демонстрируют свойства изменения структуры под внешними воздействиями, будь то давление, температура или какие-либо еще, ― рассказывает Никита Кулаченков, один из авторов работы, младший научный сотрудник Университета ИТМО. ― Один из этих металлорганических каркасов оказался HKUST-1. С ним очень много работали в области газосорбции, но никто не мог подумать, что его свойства, а соответственно и структура, могут быть сильно изменены при воздействии света».

Эксперименты с металлорганическими каркасами HKUST-1 показали, что при воздействии сверхкороткой вспышки ИК-лазера этот MOF резко начинает хуже пропускать пущенный через него свет.

«Количество фотонов, проходящих через MOF, сократилось примерно в сто раз, ― поясняет Кулаченков. ― При этом время переключения составило несколько десятков миллисекунд. Это на два-три порядка лучше, чем в существующих органических системах на основе MOF».

Физически изменение объясняется следующим образом: фемтосекундного воздействия инфракрасного лазера оказывается достаточно, чтобы фактически выпарить воду из металлорганического каркаса. Это приводит к тому, что MOF становится менее прозрачным для лазерного света. Однако, стоит выключить свет, как каркас снова абсорбируют молекулы воды из воздуха и возвращается в исходное состояние.

«В работе мы показываем, что при повышении влажности, например, при помещении кристалла в воду, переключение происходит значительно быстрее», ― добавляет Кулаченков.

Путь к оптической логике

Ученые экспериментируют с пропусканием света вовсе не из праздного любопытства. Физики, инженеры и программисты всего мира все чаще говорят сегодня о перспективах так называемых оптических элементов памяти. Эти устройства должны прийти на смену современным устройствам, в которых информация обрабатывается за счет движения электронов. Предполагается, что вычислительные элементы, работающие на фотонах, будут работать быстрее, эффективнее, а главное ― тратить меньше энергии. Однако для того, чтобы приблизиться к воплощению этих смелых планов, необходимо решить целый ряд теоретических и инженерных задач. Одна из них ― надежное и неэнергозатратное управление светом в сочетании с низкой стоимостью.

«Сейчас вся цифровая электроника строится на так называемых триггерах, ― объясняет Никита Кулаченков. ― Это устройства для переключения между двумя состояниями ― 0 и 1. Для оптических устройств, которые в будущем могут прийти на смену нашим электронным устройствам, нам также нужен такой переключатель».

Работа ученых из Университета ИТМО настолько привлекла внимание редакторов одного из трех флагманских журналов по химии в мире, Angewandte Chemie, что работа была опубликована в предельно сжатые сроки, даже несмотря на карантин, введенный из-за эпидемии коронавируса.

Статья: Kulachenkov N.K., Sun D., Mezenov Y.A., Yankin A.N., Rzevskiy S., Dyachuk V., Nominé A., Medjahdi G., Pidko E.A. and Milichko V.A. Photochromic Free MOF‐Based Near‐Infrared Optical Switch. Angewandte Chemie , 2020/10.1002/anie.202004293