Ученые МГУ в сотрудничестве с чешскими коллегами из Института физики (Прага) синтезировали и исследовали новые ЖК-полимеры, сочетающие в себе оптические свойства жидких кристаллов и механические свойства полимеров. Такие полимеры могут быстро изменять ориентацию молекул под действием внешних полей и одновременно способны образовывать покрытия, пленки и детали сложных форм. Важное преимущество таких систем перед низкомолекулярными жидкими кристаллами заключается в том, что ЖК-полимеры при комнатной температуре существуют в стеклообразном состоянии, фиксирующем ориентацию молекул.
ЖК-полимеры состоят из молекул с высокой молекулярной массой, которые называют макромолекулами. Они имеют гребнеобразное строение: к основной гибкой полимерной цепи присоединены с помощью «развязки» из последовательно связанных молекул CH2 светочувствительные «жесткие» азобензольные фрагменты (C₆H₅N=NC₆H₅). Эти фрагменты стремятся упорядочиться и могут образовывать самые разные виды «упаковок» — жидкокристаллических фаз. Когда на такие полимеры падает свет, азобензольные группы перестраиваются, из-за чего оптические свойства полимеров изменяются. Такие полимеры называют фотохромными.
Особое внимание ученые уделили процессам фотоизомеризации и фотоориентации. Фотоизомеризация — это перегруппировка связей внутри молекулы полимера под действием света. Фотоориентация — это изменение ориентации жестких азобензольных (в данном случае) фрагментов под действием линейно-поляризованного света, в луче которого направление колебаний электрического поля строго определено. В ходе циклов фотоизомеризации под действием поляризованного света азобензольные фрагменты меняют свой угол. Это происходит до того момента, пока их ориентация не становится перпендикулярной плоскости поляризации падающего света, и фрагменты уже не способны поглощать свет. Процесс фотоориентации не только позволяет менять угол азобензольных фрагментов макромолекул, но и вызывает появление в пленках дихроизма (разной интенсивности поглощения поляризованного света в ортогональных направлениях) и двулучепреломления — расщепления луча света на две составляющие с ортогональной (пенпердикулярной) поляризацией, причем направление одной составляющей не изменяется, а второй луч преломляется.
«Основная идея нашей работы — исследовать, как химическая структура новых гребнеобразных фоточувствительных ЖК-полимеров влияет на их фазовое поведение и фотооптические свойства. Процессы фотоизомеризации и фотоориентации как раз позволяют управлять фазовым поведением и оптическими свойствами разработанных систем», — рассказал Алексей Бобровский, один из авторов статьи, профессор РАН, доктор химических наук, главный научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.
Сначала ученые МГУ в сотрудничестве с коллегами из Института физики Академии наук Чешской Республики синтезировали мономеры, из которых в МГУ получили ЖК-полимеры. Фазовое поведение и температуры фазовых переходов полимеров авторы исследовали методами поляризационно-оптической микроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии. Детальная структура фаз была изучена методом рентгеноструктурного анализа на факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ.
Самой важной частью работы, по словам авторов, было изучение фотооптических свойств, фотохромизма полученных полимеров. Этот этап делился на две части: облучение неполяризованным ультрафиолетовым (УФ) светом, в ходе которого происходила фотоизомеризация (перегруппировка связей внутри молекулы), и облучение поляризованным светом, который вызвал фотоориентацию.
Алексей Бобровский отмечает, что статья принадлежит к большому циклу работ, посвященных фотоиндуцированным процессам в фотохромных ЖК-полимерах. Это исключительно исследовательская работа: авторы изучили взаимосвязи между химической структурой и свойствами соединения.
«Фотоизомеризация и фотоориентация открывают большие перспективы для создания так называемых умных материалов. Они отзываются на различные внешние воздействия и могут быть использованы для хранения, записи и передачи информации в оптических устройствах различной сложности. Эти конкретные полимеры вряд ли будут использованы на практике, потому что они слишком дороги и синтез их непрост. С другой стороны, далеко не всегда можно предсказать, какие именно системы, когда и как найдут применение», — заключил ученый.
