способ управления оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов

Формула изобретения

Способ управления оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов, характеризующийся тем, что в структуру нанокомпозиционного материала вводят и последовательно соединяют с наночастицами промежуточные связующие молекулы - частицы, изменяющие пространственную конфигурацию под внешним световым воздействием, и связуемые молекулы - частицы с оптическими свойствами, проявляющимися вблизи наночастиц, и облучают нанокомпозиционный материал светом на длинах волн, которые изменяют пространственную конфигурацию промежуточной связующей молекулы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для эффективного управления оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов, применяемых в нелинейной оптике, информационной технике, при разработке средств оптической памяти и т.д.

Из уровня техники известен способ управления оптическими свойствами - люминесценцией путем облучения люминесцирующего материала инфракрасными тепловыми лучами (Г.С.Лансберг. Оптика, М., «Наука», 1976, с.755). При нагреве люминесцирующего вещества происходит быстрое уменьшение интенсивности свечения. Однако данный способ инерционен из-за конечных значений теплоемкости и теплопроводности любого вещества и практически не применим для локального динамичного управления люминесценцией нанокомпозиционных материалов.

Изобретение направлено на создание эффективного способа управления оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе управления оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов, согласно изобретению, в структуру нанокомпозиционного материала вводят и последовательно соединяют с наночастицами промежуточные связующие молекулы - частицы, изменяющие пространственную конфигурацию под внешним световым воздействием, и связуемые молекулы - частицы с оптическими свойствами, эффективно проявляющимися - изменяющимися вблизи наночастиц, и облучают нанокомпозиционный материал светом на длинах волн, которые изменяют пространственную конфигурацию промежуточной связующей молекулы.

Технический результат, который заключается в возможности эффективного (быстрого, локального и оперативного) управления оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов, не следует из известного уровня техники и обусловлен введением в нанокомпозиционный материал промежуточных связующих молекул и воздействием на эти промежуточные связующие молекулы светом на длинах волн, при которых происходит изменение их пространственной конфигурации, преимущественно длины, и, соответственно, расстояния между наночастицами, вблизи которых локализуются сильные электромагнитные поля, и связуемыми молекулами - частицами с оптическими свойствами, эффективно проявляющимися - изменяющимися вблизи наночастиц. При этом происходит изменение распределения - искажение электромагнитного поля связуемых молекул - частиц с оптическими свойствами, что вызывает изменение времени жизни возбужденных атомов и молекул последних, влияет на скорость электронных переходов, обусловливающих процессы поглощения и спонтанного излучения света, и соответственно приводит к обратимому изменению спектральных характеристик и оптических свойств указанных нанокомпозиционных материалов в целом.

В качестве наночастиц нанокомпозиционного материала при реализации заявленного способа могут быть использованы металлические, например золотые, полупроводниковые или диэлектрические наночастицы сферической, эллипсоидальной, игловидной, стержневидной, пирамидальной или иной формы, при которой достигается наибольшая эффективность изменения свойств связуемых молекул.

В качестве связуемых молекул могут быть использованы частицы с люминесцентными, фотохромными, поляризующими или другими оптическими свойствами, эффективно проявляющимися - изменяющимися вблизи наночастиц (например, селенид кадмия).

В качестве связующих молекул, которые за счет образования химических связей обеспечивают устойчивость наноструктуры, могут быть использованы частицы, которые изменяют пространственную конфигурацию (например, изомеризуются) при внешним световом воздействии с определенной длины волны (фотоиндуцированный переход), например органические молекулы с двойной связью типа углерод-углерод, углерод-азот, азот-азот, способные к цис-транс изомеризации (например, молекулы азокрасителя), или под действием электрического поля (электрохромный переход). Для увеличения разности длин молекулы в двух формах (цис- и транс-состояниях) возможно использовать последовательно два и более фрагмента, способных к изомеризации.

Заявленный способ управления оптическими свойствами нанокомпозиционного материала реализуется следующим образом.

Для получения нанокомпозиционного материала в водную суспензии наночастиц диаметром 12÷15 нм коллоидного золота вводят в соотношении 1:12 связующие молекулы - содержащие две тиогруппы частицы азокрасителя 4,4 -дитиометилазобензола, которые изменяют свою пространственную конфигурацию вследствие перехода из транс-состояния в цис-состояние при действии излучения на длине волны 365 нм и обратного перехода при действии видимого света на длине волны 435 нм, при этом длина молекулы - частицы азокрасителя изменяется с 9,5 нм на 5,5 нм и обратно. При смешивании на поверхности наночастиц золота формируется лигандная оболочка из связующих молекул - частиц азокрасителя. В полученную систему в том же соотношении к наночастицам золота 1:12 добавляют водную суспензию связуемых молекул - коллоидных частиц селенида кадмия (CdSe), на оптические свойствам которых оказывают эффективное влияние золотые наночастицы (на расстоянии между частицами CdSe и золотыми наночастицами до 10 нм имеет место максимальное усиление фотолюминесценции частиц CdSe до 5 раз, а при малых расстояниях порядка 2 нм фотолюминесценция подавляется из-за резонансного переноса энергии от фотовозбужденных квантовых частиц CdSe к металлическим - золотым наночастицам). При этом происходит осаждение на свободных тиогруппах лигандной оболочки наночастиц золота связуемых молекул - частиц селенида кадмия (CdSe) с образованием макромолекул, формирующих пространственную кластерную структуру нанокомпозиционного материала. Приготовленную суспензию нанокомпозиционного материала помещают на зеркальную стеклянную подложку и высушивают до образования нанокомпозитной пленки.

В процессе управления оптическими свойствами полученный нанокомпозиционный материал облучают в течение нескольких секунд излучением на длине волны 365 нм, переводящим все связующие молекулы - частицы азокрасителя в цис-состояние, при котором расстояние между наночастицами золота и связуемыми молекулами - частицами селенида кадмия (CdSe) составляет 9,5 нм, что при возбуждении (облучении) нанокомпозиционного материала светом на длине волны 530 нм вызывает интенсивную красную люминесценцию на длине волны около 670 нм, соответствующую прямому межзонному переходу связуемых молекул - частиц селенида кадмия. Для изменения оптических свойств способный к интенсивной люминесценции нанокомпозиционный материал облучают в течение нескольких секунд светом с максимумом излучения вблизи 435 нм, что приводит к изомеризации связующих молекул - частиц азокрасителя (переводу молекул - частиц азокрасителя в транс-состояние) и уменьшению расстояния между наночастицами золота и связуемыми молекулами - частицами селенида кадмия до 5 нм. При этом последующее возбуждение нанокомпозиционного материала светом на длине волны 530 нм вызывает люминесценции, но ее интенсивность уменьшается в несколько десятков раз. При повторном облучении светом на длине волны 365 нм полностью восстанавливается способность нанокомпозиционного материала к интенсивной красной люминесценции под действием возбуждающего излучения на длине волны 530 нм.

Заявленный способ обеспечивает оперативное и локальное (поточечное) управление оптическими свойствами нанокомпозиционного материала следующим образом.

Нанокомпозиционный материал предварительно равномерно облучают светом на длине волны 435 нм, переводящим связующие молекулы - частицы азокрасителя в транс-состояние. Затем этот нанокомпозиционный материал, характеризующийся низкой интенсивностью люминесценции, облучают локально поточечной засветкой через маску отверстий диаметром 0,3 мм в течение десятой доли секунды сфокусированным излучением на длине волны 365 нм, переводящим связующие молекулы - частицы азокрасителя в цис-состояние только в местах, соответствующим распределению отверстий в маске и подвергнутых облучению. При равномерном возбуждении нанокомпозиционного материала светом на длине волны 530 нм возникает точечная картина люминесценции, в точности повторяющая маску. Такая повторяющая маску точечная картина люминесценции сохраняется в темноте неограниченное время и может быть в любой момент воспроизведена возбуждением на длине волны 530 нм или стерта последующей равномерной засветкой излучением на длине волны 365 нм или 435 нм.

Таким образом, заявленный способ обеспечивает эффективное оперативное и поточечное управление оптическими свойствами нанокомпозиционных материалов, что обусловливает техническую возможность его использования для оптической записи и считывания информации, при разработке покрытий-хамелеонов, в нелинейной оптике и т.д.