Ученые вывели новую стратегию создания поглотителей лазерного излучения

Плоские молекулы, в составе которых есть несколько углеродных циклов (колец из атомов углерода), соединенных между собой атомами азота, называют фталоцианинами. Соединения фталоцианинов с переходными металлами, такими как медь или цинк, используют в качестве красителей и пигментов. Фталоцианины используются в микроэлектронике, например, для создания светофильтров и устройств обработки сигналов. Но применение фталоцианинов затруднено из-за их агрегации — процесса, при котором отдельные молекулы хаотично слипаются друг с другом. При этом агрегация зависит от концентрации красителя, а также от металла и других углеводородных фрагментов, которые входят в состав комплекса. Следовательно, можно контролировать оптические свойства фталоцианинов — например, степень поглощения света, — меняя их строение.

Ученые из Института физиологически активных веществ РАН (Черноголовка), Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Москва) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) на основе бензольных колец и соединений азота синтезировали фталоцианины, которые дополнительно обработали соединениями металлов. В результате исследователи получили фталоцианины, связанные с атомами меди, магния, цинка, кобальта и никеля. Ученые проанализировали красители и отсортировали их по способности снижать интенсивность лазерного излучения на длине волны 532 нм.

Авторы установили зависимость между степенью поглощения света фталоцианинами и двумя пороговыми концентрациями, при которых зависимость перестает быть линейной и заканчивается формирование агрегатов в растворах. Сперва ученые, сравнив линейную и нелинейную функции, предложили метод определения той концентрации, с которой начинается слипание фталоцианинов. Когда запускается этот процесс, поглощение света раствором немного снижается.

Затем исследователи выяснили значения второй точки, после которой связи между фталоцианинами перестают образовываться. Например, чтобы перестали слипаться молекулы, содержащие цинк, требуется в два раза большая концентрация, чем для аналогичного результата с медьсодержащим комплексом. При этом, когда агрегаты перестают формироваться, раствор начинает поглощать гораздо больше света, а потом этот показатель плавно снижается. Предложенные авторами расчеты учитывали нелинейную зависимость между концентрацией комплексов и поглощением света, что позволило сопоставить теоретические расчеты с результатами экспериментов и вывести новую величину: фактор спектральной нелинейности поглощающего материала, оценка которого позволит создавать эффективную защиту от лазерного излучения.

«Мы описали новую стратегию создания оптических материалов для устройств, поглощающих опасное для глаз лазерное излучение. Модифицирование химической структуры активных компонентов таких защитных приборов позволяет точно настраивать их оптические свойства под конкретную задачу. Совокупность экспериментальных и теоретических исследований с применением высокопроизводительных численных алгоритмов для поиска взаимосвязей между структурой и свойствами поглощающих материалов позволит улучшать качество оптических ограничителей в будущем», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Толбин, профессор РАН, доктор химических наук, главный научный сотрудник Института физиологически активных веществ Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН.