Свет включает и выключает молекулы: российские учёные создали материал будущего

Российские учёные сделали шаг к созданию электроники на уровне отдельных молекул. Сотрудники Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН совместно с коллегами из других научных центров открыли новый класс фотохромных металлорганических соединений — бис-фталоцианинатов редкоземельных металлов, в частности европия и самария. Эти соединения реагируют на свет не так, как привычные фоточувствительные материалы, что открывает путь к технологиям будущего.

Свет, который управляет электронами

Главная особенность новых соединений заключается в том, что под действием света в них происходит не структурная перестройка молекулы, а внутримолекулярный перенос электрона - процесс, называемый редокс-изомеризацией. Это явление приводит к обратимому изменению целого набора характеристик: оптических, магнитных и электрических.

"Изученные соединения можно рассматривать как потенциальные элементы для накопителей информации или молекулярных переключателей в логических узлах", — отметил Андрей Аракчеев.

Благодаря способности изменять электропроводность и магнитную восприимчивость под воздействием света, такие материалы становятся ключевыми кандидатами для будущей молекулярной электроники - области, где вместо транзисторов используются отдельные молекулы.

Как устроен новый материал

Молекулы бис-фталоцианинатов лантанидов состоят из центрального атома редкоземельного металла, окружённого двумя крупными органическими лигандами. Именно их асимметрия и разница в электронных свойствах создают условия для управляемого переноса электрона внутри молекулы.

Изначально исследователи зафиксировали эффект редокс-изомеризации в монослоях вещества на поверхности воды. Различия в окружении лигандов стимулировали переход электрона, меняя степень окисления центрального атома. Но учёные поставили задачу добиться того же результата в твёрдом состоянии — в стабильных тонких плёнках, пригодных для практического применения.

Прорывная технология: метод Ленгмюра-Блоджетт

Чтобы перенести монослой вещества с поверхности воды на твёрдую подложку, учёные использовали метод Ленгмюра-Блоджетт - технику, позволяющую формировать упорядоченные молекулярные слои толщиной в несколько нанометров.

Этот подход позволил сохранить нужное редокс-состояние молекул при переносе. В результате получились стабильные плёнки, способные изменять свои свойства под действием света.

Облучение ультрафиолетом вызывает переход электрона с атома металла на лиганд — материал становится менее проводящим и меняет цвет. Воздействие красного света, наоборот, возвращает электрон в исходное положение, восстанавливая первоначальное состояние соединения. Этот процесс можно повторять многократно без разрушения структуры.

Почему это важно

Большинство известных фотохромных материалов меняют свои свойства из-за механической перестройки молекул, что приводит к быстрому износу и деградации структуры. Новый подход основан на электронных изменениях, а не на перестановке атомов, поэтому вещество сохраняет стабильность после множества циклов.

Это делает бис-фталоцианинаты лантанидов исключительно долговечными. Они не теряют свои оптические и электрические свойства даже после сотен переключений между состояниями.

Сравнение с традиционными фотохромными материалами

Как можно использовать открытие

Учёные видят несколько направлений практического применения новых соединений:

1. Молекулярные переключатели. Каждый фоточувствительный фрагмент может выполнять функцию логического элемента, изменяя состояние под действием света.

2. Накопители информации. Переключаемые состояния можно использовать для записи и хранения данных на уровне отдельных молекул.

3. Фотосенсорные элементы. Материалы пригодны для создания сенсоров, реагирующих на разные длины волн света.

4. Гибкая электроника. Плёнки, полученные методом Ленгмюра-Блоджетт, могут применяться в прозрачных устройствах и носимых технологиях.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использовать классические фотохромные соединения, где свет вызывает разрушение связей.
• Последствие: ограниченный срок службы и нестабильность работы.
• Альтернатива: применять материалы с редокс-изомеризацией, где меняются только электронные состояния, а структура молекулы остаётся неизменной.

А что если…

Если технология будет масштабирована, появится возможность создавать устройства, где каждый пиксель или логический элемент состоит из одной молекулы. Это кардинально уменьшит размеры схем и повысит скорость их работы. В будущем такие системы могут заменить традиционные кремниевые транзисторы.

Плюсы и минусы технологии

Три интересных факта

1. Фталоцианины — одни из самых устойчивых органических красителей, известных науке.

2. Метод Ленгмюра-Блоджетт изначально использовался для изучения тонких плёнок мыльных пузырей.

3. Европий и самарий, применённые в исследовании, принадлежат к группе лантанидов — элементов, известных своими уникальными магнитными свойствами.

Исторический контекст

1. Первые фотохромные соединения были открыты в 1930-х годах при исследовании азобензолов.

2. В 1980-х годах появились органические материалы, способные менять цвет под светом, но их долговечность была низкой.

3. В XXI веке развитие молекулярной электроники позволило объединить фотохимию и нанотехнологии, создавая молекулы, работающие как миниатюрные электронные устройства.

Новое открытие российских учёных — важный шаг в этом направлении. Бис-фталоцианинаты лантанидов демонстрируют, что электроника будущего может быть не только нано-, но и молекулярного уровня — лёгкой, гибкой и управляемой светом.