Учреждение Российской академии наук Центр фотохимии РАН работает в формирующейся области науки на границе между физикой и химией - фотоника супрамолекулярных наноразмерных структур.
Деятельность Центра направлена на проведение фундаментальных исследований (наука) подготовку специалистов (образование) и продвижение полученных результатов в новые товары и услуги (инновации).
Фундаментальные исследования ЦФ направлены на синтез новых химических соединений, способных образовывать супрамолекулярные структуры, создание супрамолекулярных комплексов и ансамблей, супрамолекулярных нано-, микро - и макрокристаллов, исследование строения, линейных и нелинейных оптических и фотохимических свойств этих систем, установление связи между строением супрамолекулярных структур и их оптическими и фотохимическими свойствами.
Образовательные программы
На базе ЦФ совместно с МФТИ, МИФИ и МИТХТ создан Научно-образовательный центр «Органическая нанофотоника», работа которого направлена на подготовку бакалавров, магистров и кандидатов наук. В Центре ежегодно слушают лекции и работают 50-60 студентов.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Нанофотоника, наука об оптических характеристиках материалов, построенных из частиц наноразмерных масштабов, — новая бурно развивающаяся область исследований. Очевидно, что результаты, полученные нанофотоникой, могут стать основой для будущих информационных технологий, поскольку они позволят создавать информационные системы из элементов более миниатюрных и работающих на более высоких частотах, чем используемые сегодня.
В нанофотонике можно выделить два направления исследований. Первое связано с изучением процессов, инициированных в веществе при возбуждении пучком света, сфокусированным до нанометровых размеров. При этом сам объект исследования может иметь достаточно протяженные размеры (больше, чем длина волны возбуждающего света). Необходимое уменьшение размера площади, на которой фокусируется свет, требует специальной техники. Поэтому эти исследования связаны, в основном, с применением микроскопии ближнего поля.
Второе направление связано с исследованиями оптических свойств (линейных и нелинейных) термодинамически устойчивых наноразмерных частиц и изучением химических превращений, инициируемых в них светом. В этих исследованиях размер возбуждающего светового пятна может быть любым, но объект исследований либо состоит из наноразмерных частиц, либо имеет нанометровые размеры хотя бы в одном измерении. В данной статье изложены некоторые результаты, полученные в Центре фотохимии РАН, которые относятся ко второму направлению нанофотоники.
Как известно, существует две технологии получения наноразмерных систем. Первая технология построения наносистем, так называемая методика «сверху–вниз», состоит в дроблении макрообъекта на наночастицы. Вторая методика связана со сборкой наноразмерного объекта из отдельных молекул или атомов (методика «снизу – вверх»). Эта технология самосборки широко используется в живой природе (например, сложные белковые структуры собираются из двадцати сравнительно простых молекул аминокислот).
Можно надеяться, что научившись использовать межмолекулярные взаимодействия (диполь-дипольные и донорно-акцепторные взаимодействия, «стэкинг»-взаимодействия, водородные связи и т.д.), можно строить из молекул наноразмерные супрамолекулярные системы и на их основе создавать новые поколения устройств для информационных технологий.
Разрабатываемый в ЦФ РАН подход состоит в том, чтобы используя процессы самоорганизации молекул, формировать оптически активные и фотохимически активные центры, а затем на основе этих предорганизованных супрамолекулярных систем создавать новые материалы различного назначения. Основной задачей на этом пути является проектирование и синтез устойчивых супрамолекулярных систем, состав и строение которых обеспечивает получение требуемых оптических и фотохимических характеристик. Число молекул в супрамолекулярной системе может варьироваться в широких пределах (в частности, в простейшем случае система может состоять из двух молекул).
Целью работ, проводимых в ЦФ РАН, являются попытки найти ответы на следующие вопросы:
· каковы должны быть структурные особенности органической молекулы, чтобы она была пригодной для построения на ее основе супрамолекулярных наноразмерных систем?
· какова должна быть архитектура супрамолекулярных систем, чтобы они обладали практически важными оптическими и фотохимическими характеристиками?
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ
В состав научно-образовательного центра входят:
кафедра физики супрамолекулярных систем и нанофотоники МФТИ, кафедра компьютерного моделирования и физики наноструктур и сверхпроводников МИФИ,
кафедра химии и технологии биологически активных соединений им. Н.А. Преображенского МИТХТ
Кафедра физики супрамолекулярных систем и нанофотоники МФТИ
Обучаются 19 студентов, 8 человек в этом году защитили диплом бакалавра, а 7 – диплом магистра.
Студентам читаются следующие курсы лекций:
«Введение в физику наноразмерных структур и устройств», «Самоорганизация молекул и наноструктур»,«Фотоника молекул и наноразмерных структур»,«Основы компьютерного моделирования молекулярных и супрамолекулярных систем»,«Физико-химические методы исследования», «Супрамолекулярная химия»,«Молекулярная спектроскопия», «Динамика элементарных химических процессов», «Основы нанобионики», «Теоретические основы нанофотоники», «Наноразмерное состояние вещества», проводится семинар по специальности.
Со студентами 4 курса проводятся лабораторные занятия по темам:
Компьютерное многомасштабное моделирование (Исследование структуры красителя в локальном окружении полистирольной или силикагелевой матрицы методом молекулярной динамики, расчет оптических спектров красителя в жидком растворителе и в твердой матрице, исследование оптического отклика красителя при взаимодействии с малыми молекулами (аналитами) методами квантовой химии),
Самосборка (архитектура упаковки наночастиц при самоорганизации в испаряющейся капле, самосборка ансамблей микро - и наночастиц в микрокапле раствора, самосборка ансамблей микро - и наночастиц в микрокапле раствора. (динамика)),
Фотоника (Спектры поглощения и люминесценции молекул красителей в жидких растворах Спектры флуоресценции красителей сорбированных на частицах окиси кремния)
Научная электронная библиотека (Информационные ресурсы (базы данных) в области нанонауки и нанотехнологий в сети Интернет Аналитические методы и инструменты для оценки научных публикаций. Методы и приемы аналитико-синтетической обработки содержания документов: библиографирование документов и реферирование (аналитические обзоры)
Кафедра компьютерного моделирования и
физики наноструктур и сверхпроводников факультета экспериментальной и теоретической физики МИФИ
Обучаются 10 человек: 5 студентов 4 курса и 5 студентов 5 курса (факультативно)
Студентам читаются следующие курсы лекций:
«Методы статфизики в атомистическом многоуровневом моделировании», «Квантовая механика молекулярных и протяженных систем»
Со студентами проводятся лабораторные занятия по темам:
«МД расчет радиальной функции распределения (RDF) метанола с катионом Li+», «МД расчет радиальной функции распределения (RDF) метанола», «Знакомство с методикой МД моделирования программным комплексом MDNAES»
Кафедра химии и технологии биологически активных соединений им. Н.А. Преображенского МИТХТ
Обучается 14 студентов (4 и 6 курсы)
Читаются следующие курсы лекций: «Фотохимия светочувствительных систем»,«Супрамолекулярная химия светочувствительных систем»
Со студентами проводятся следующие лабораторные занятия:
«Кинетика затухания флуоресценции», «Время жизни электронно-возбужденного состояния», «Транс-цис фотоизомеризация», «Спектры поглощения,короткоживущих изомеров и кинетика их превращения», «Синглетный кислород», «Деструктивное фотоокисление», «Фотохромизм», «Кинетика фотоокрашивания и термического обесцвечивания фотохромных соединений».
