Флуоресцентный гибридный полимер на основе «пропеллерных» молекул поможет в борьбе с подделками

Ученые синтезировали полимер, способный светиться в разных диапазонах длин волн — от зеленого до оранжевого — в зависимости от воздействия температуры и паров воды. Так, при длительном выдерживании в комнатных условиях или при нагревании до 200°С и обезвоживании образцы материала очень слабо излучают в зеленом спектре, а при их смачивании водой наблюдается ярко-оранжевая фотолюминесценция. Благодаря таким свойствам полимер можно использовать в качестве датчика температуры и влажности, а также в роли невидимых чернил для маркировки изделий и борьбы с контрафактной продукцией. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dyes and Pigments.

Органические материалы, способные излучать свет — люминесцировать, — востребованы в медицине для исследования клеток и тканей, в оптоэлектронике в качестве материалов для светодиодов, датчиков температуры, освещенности и других, а также в химии для обнаружения различных веществ, например ионов металлов. Кроме того, такие соединения можно использовать для того, чтобы ставить на дорогие вещи (предметы искусства, драгоценности и другие) невидимые метки. Принцип их работы заключается в том, что в обычных условиях такие вещества-метки невозможно увидеть невооруженным глазом. Но при изменении температуры, влажности или освещения — в зависимости от того, на что именно реагирует вещество, — они начинают светиться. Однако дизайн таких соединений с «управляемым» свечением пока остается сложной задачей.

Ученые из Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова (Новосибирск) синтезировали азотсодержащее производное бисфлуоренилиденметилфенилена — органического соединения, состоящего из семи углеродных колец. Это вещество имеет структуру, напоминающую пропеллер, которая позволяет ему менять люминесценцию в различных условиях. Так, шесть его колец, объединенных по три в две «лопасти», могут вращаться вокруг центрального кольца. Атомы азота авторы ввели в молекулу для того, чтобы усилить эффект подвижности «пропеллера», поскольку они смещают электронную плотность молекулы к ее краям, позволяя соединению активнее реагировать на внешние воздействия. Кроме того, введение атомов азота позволило привнести в молекулу способность формировать комплексные соединения, в том числе полимеры.

«Большинство органических соединений обычно хорошо излучают в растворе, но, когда мы получаем из них кристаллы или пленки, излучение часто тушится, то есть теряет интенсивность. Это происходит из-за того, что в жесткой плоской структуре молекулы очень эффективно передают друг другу возбуждение. Кроме того, такие соединения обычно образуют прочную кристаллическую структуру, не способную меняться при воздействии внешних стимулов. А наш материал — подвижный, у него межмолекулярные взаимодействия слабее, и тушения не происходит», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Казанцев, кандидат химических наук, заведующий лабораторией органической электроники Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова.

Авторы синтезировали на основе такого соединения полимеры. Эксперименты показали, что материал чувствителен к нагреванию и воздействию паров воды. Так, в стандартных условиях (при комнатной температуре и влажности 20%) образцы практически не люминесцировали (очень слабо излучали в зеленой области), а при высокой влажности (90%) ярко светились в оранжевом диапазоне. При этом удалось обратимо «переключать» эти состояния путем нагревания и смачивания образца. Благодаря этому предложенные соединения можно будет использовать в основе высокотемпературных сенсоров и датчиков влажности. Исследователи также показали возможность использовать полученный полимер в качестве секретной метки, нанеся его на фильтровальную бумагу. При комнатной температуре и влажности метка была невидима, но, когда образец непродолжительное время подержали над кипящей водой, под действием горячего пара полимер стал излучать ярко-оранжевый свет.

«Кроме того, благодаря атомам азота полученные вещества потенциально смогут реагировать на ионы металлов, поэтому наши соединения можно будет использовать и для их выявления, например, в почве, воде и других средах. В дальнейшем мы планируем подробнее исследовать, как нужно дополнительно изменить структуру соединения, чтобы добиться более выраженного сенсорного эффекта», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Чешкина, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории органической электроники Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова.