ИСТИНА

Одно из центральных направлений развития современной науки – создание новых материалов, способных детектировать примеси вредных или опасных веществ в окружающей среде, в том числе с использованием методов, не требующих потребления энергии. Разработка новых сенсоров позволит использовать их не только для оценки террористических угроз и ведения эффективной работы по выявлению и профилактике таких угроз внутри страны, но также успешно коммерциализировать их для продаж на внутреннем и внешнем рынках. Основным базисом для развития данного направления являются научно-технические разработки конца двадцатого, начала двадцать первого века, положившие начало бурному развитию индустрии жидких кристаллов и в целом индустрии оптического детектирования. В настоящее время на стыке этих индустрий рождается новое направление, связанное с необходимостью точного детектирования присутствия тех или иных химических веществ как в природном или урбанистическом окружении, так и в технологических процессах, причем зачастую детектирование требуется проводить с помощью автономных средств. Проект будет направлен на исследование структурных переходов в полимерно-стабилизированных жидких кристаллах, вызываемых световым излучением и адсорбцией, для создания сенсорных устройств на их основе. Жидкокристаллическое состояние является промежуточным между твёрдым и жидким состояниями вещества, и в настоящее время широко используется в дисплейных устройствах. Недавно были предложены новые применения жидких кристаллов, такие как лазеры с переменным фокусным расстоянием и сенсоры. Эти применения основаны на свойстве жидких кристаллов изменять структуру при внешнем воздействии (электрическом, световом, химическом и т.д.). В ходе выполнения данного проекта будут разработаны полимерно-стабилизированные жидкие кристаллы, структура и оптические свойства которых существенным образом изменяются при добавлении незначительной концентрации посторонней примеси в окружающую среду, а также методы визуализации их структуры. В последнее десятилетие большое внимание уделяется изучению микро- и наноразмерных частиц (капель), распределённых в полимере или вязкой жидкости, в частности, для создания оптических манипуляторов, оптических пинцетов, фотонных устройств, биологических и химических сенсоров и коллоидных материалов. Обычно практические применения материалов, содержащих частицы (капли), либо не учитывают структурные особенности самих частиц (капель), либо используют только самые простые свойства, например, только оптическую изотропию и анизотропию. Между тем, структурные изменения частиц (капель) под воздействием электрического поля, света или поверхностных явлений, гораздо сложнее упрощённых моделей, и этот факт может быть эффективно использован для создания высокочувствительных химических и биологических сенсоров. Жидкие кристаллы (ЖК) являются наиболее удобными и интересными материалами для заполнения микро- и наноразмерных капель, распределённых в полимерной среде, либо стабилизированных при помощи полимерных поверхностно-активных веществ (ПАВ) в изотропной жидкости. Действительно, ЖК представляют собой анизотропные жидкости, демонстрирующие большой набор свойств, которыми удобно управлять при помощи внешних воздействий: многообразие упругих свойств, способность к самоорганизации в супрамолекулярные структуры, быстрый отклик на внешние воздействия и т.д. Эти свойства сделали ЖК привлекательными и важными для применения в оптических устройствах, биологических и химических сенсорах и коллоидных системах.

One of the main trends in development of contemporary science – the creation of the new materials, capable of detecting the admixtures of harmful or dangerous substances in the environment, in particular, by methods, which do not require the energy consumption. The development of new sensors will make it possible to use them not only for evaluating of the terrorist threats and conducting of effective work according to development and preventive maintenance of such threats inside the country, but also successfully to commercialize them for sales on the internal and outside markets. Basic basis for the developments of this direction are the scientific and technical developments of the end of the twentieth, beginning twenty first century, which marked the beginning of explosion of the industry of liquid crystals, also, as a whole of the industry of optical detection. At present at the joint of these industries the new direction is borne, connected with the need for the precise detection of the presence of various chemical substances both in the natural or urban environment, and in the technological processes, moreover often detection it is necessary to conduct with the aid of the autonomous means. The project will be targeted to a study of structural transitions in the polymer-stabilized liquid crystals, caused by light radiation and adsorption, for creating the sensor devices on their basis. Liquid-crystal state is intermediate between the solid and liquid states of substance, and at present it is widely used in the display devices. The new applications of liquid crystals, such as lasers with the variable focal length and sensors, were recently proposed. These applications are based on the property of liquid crystals to change structure under the external influence (electrical, light, chemical, etc). In the course of fulfilling this project will be developed the polymeric- stabilized liquid crystals, structure and optical properties of which essentially change during the addition of the insignificant concentration of the impurity to the environment, and also the methods of the visualization of their structure. In the last decade considerable attention is paid to the study of the micro- and nano-dimensional particles (droplets), distributed in the polymer or the viscous fluid, in particular, for creating the optical manipulators, optical pincers, photon devices, biological and chemical sensors and colloidal materials. Usually the practical applications of materials, which contain particles (droplets), either do not consider the structural special features of particles themselves (droplets), or are used only simplest properties, for example, only optical isotropy and anisotropy. Meanwhile structural changes in the particles (droplets) under the action of electric field, light or surface phenomena, are much more complex than the simplified models, and this fact can be effective used for creating the highly sensitive chemical and biological sensors. Liquid crystals (LC’s) are the most convenient and interesting materials for the filling of the micro- and nano-dimensional droplets, distributed in the polymeric medium, or stabilized by the polymeric surfactants in the isotropic liquid. Actually, LC’s are the anisotropic fluids, which demonstrate the large collection of the properties easily controlled by the external actions: the variety of elastic properties, capability for self-organizing into the supramolecular structures, the rapid response to the external actions, etc. These properties made LC’s attractive and important for the application in optics, biological and chemical sensors and colloidal systems.

В результате выполнения проекта будут созданы прототипы химических и биологических сенсоров в виде микрорезонаторов на основе ЖК-капель, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации), с изменяемой длиной волны. Все перечисленные ниже конкретные научные результаты будут получены для трёх типов ЖК-капель: нематических (на первом году выпонения проекта), холестерических (на втором году выполнения проекта) и смектических (на третьем году выполнения проекта). (1) Будет произведена идентификация и классификация типов деформации поля директора в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации), при различной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости методами компьютерного моделирования. (2) Структура полученных и классифицированных в пункте (1) типов деформации поля директора будет уточнена с учётом градиента параметров порядка. Это существенным образом необходимо для создания высокочувствительных сенсоров, и может быть сделано только в рамках молекулярной теории. Для этого будет разработана оригинальная молекулярная теория, учитывающая как деформацию поля директора, так и градиент параметров порядка в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации) при разной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости. (3) Будут установлены принципы формирования структур различной топологии в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации) при разной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости. (4) Будут выявлены симметрийные особенности отдельных молекул, отвечающие за формирование структур различной топологии в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации) при разной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости. Для этого будут проведены квантово-химические расчеты геометрии молекул ЖК и азодендримера в различных конформациях, а также потенциалов взаимодействия молекул ЖК между собой и с молекулами азодендримера. (5) Будут предложены аналитические выражения для констант упругости и констант проникновения параметров порядка в терминах параметров отдельных молекул (их симметрийных особенностей). Благодаря этому появится возможность предсказывать структуры ЖК-капель для конкретных материалов, и наоборот, создать необходимые материалы для реализации в них конкретных структур ЖК-капель. (6) Будут синтезированы необходимые материалы ЖК и азодендримера. (7) На основе теоретических предсказаний будут созданы необходимые структуры ЖК-капель, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации), регулируемые концентрацией посторонней примеси во внешней жидкости. (8) Будут созданы устойчивые в водном растворе ЖК-капли, стабилизированные азодендримером (в транс- и цис-конформации).

Коллектив на протяжении около двух десятков лет проводит теоретические и экспериментальные исследования в области физики и химии полимеров и жидких кристаллов разных типов. Коллектив получил ряд оригинальных результатов, в том числе с участием тайваньских коллег в рамках выполнения совместных проектов РФФИ и NSC (Тайвань): проекты 10-03-13305-РТ_оми «Синтез и исследование полимерных плёнок с настраиваемыми мезогенными наноэлементами для нового поколения дисплеев и фотонных устройств» и 15-59-32410-РТ_оми «Разработка новых жидкокристаллических и полимерных материалов для полноцветных энергосберегающих дисплеев без цветных фильтров - дисплеи с последовательным чередованием цветов подсветки», в ходе которых были опубликованы фундаментальные работы в высокорейтинговых научных журналах. Ранее нами была разработана молекулярно-статистическая теория холестериков и смектиков. Открыты сложные ферриэлектрические фазы, а также устойчивые мультистабильные состояния. Созданы чувствительные к внешнему электрическому полю электрооптические среды из капель жидкого кристалла, диспергированных в полимере.

В результате выполнения проекта созданы прототипы химических и биологических сенсоров в виде микрорезонаторов на основе ЖК-капель, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации), с изменяемой длиной волны. Все перечисленные ниже конкретные научные результаты получены для трёх типов ЖК-капель: нематических (на первом году выпонения проекта), холестерических (на втором году выполнения проекта) и смектических (на третьем году выполнения проекта). (1) Произведена идентификация и классификация типов деформации поля директора в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации), при различной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости методами компьютерного моделирования. (2) Структура полученных и классифицированных в пункте (1) типов деформации поля директора уточнена с учётом градиента параметров порядка. Это существенным образом необходимо для создания высокочувствительных сенсоров, и может быть сделано только в рамках молекулярной теории. Для этого разработана оригинальная молекулярная теория, учитывающая как деформацию поля директора, так и градиент параметров порядка в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации) при разной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости. (3) Установлены принципы формирования структур различной топологии в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации) при разной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости. (4) Выявлены симметрийные особенности отдельных молекул, отвечающие за формирование структур различной топологии в ЖК-каплях, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации) при разной концентрации посторонней примеси во внешней жидкости. Для этого проведены квантово-химические расчеты геометрии молекул ЖК и азодендримера в различных конформациях, а также потенциалов взаимодействия молекул ЖК между собой и с молекулами азодендримера. (5) Предложены аналитические выражения для констант упругости и констант проникновения параметров порядка в терминах параметров отдельных молекул (их симметрийных особенностей). Благодаря этому появилась возможность предсказывать структуры ЖК-капель для конкретных материалов, и наоборот, создавать необходимые материалы для реализации в них конкретных структур ЖК-капель. (6) Синтезированы необходимые материалы ЖК и азодендримера. (7) На основе теоретических предсказаний созданы необходимые структуры ЖК-капель, стабилизированных азодендримером (в транс- и цис-конформации), регулируемые концентрацией посторонней примеси во внешней жидкости. (8) Созданы устойчивые в водном растворе ЖК-капли, стабилизированные азодендримером (в транс- и цис-конформации).