Ювелирная химия для органической электроники

«Умные» материалы и прозрачные смартфоны

Химия — это настоящее искусство, а химия поверхностей — это еще и ювелирное искусство. В этом уверены химики Томского политеха. Это направление науки позволяет исследователям придавать материалам совершенно неожиданные свойства, работая только с их поверхностью на наноуровне. Политехники изучают новых участников этих таинственных превращений — иодониевые соли. В качестве реагентов их можно использовать при получении новых соединений для органической электроники и материалов с управляемыми свойствами.

Недавно группа молодых ученых ТПУ под руководством доцента кафедры технологии органических веществ и полимерных материалов Павла Постникова получила грант Российского научного фонда на развитие своего проекта «Иодониевые соли: синтез, структура и использование в создании нового поколения материалов для органической электроники, фотоники и плазмоники». Проект рассчитан на три года, а общая сумма поддержки составляет 15 млн рублей. Это масштабная фундаментальная работа, которая позволит ученым ответить на вопрос «Как можно использовать соли иодония для получения новых материалов?».

— Мы планируем использовать иодониевые соли в качестве реагентов для модификации поверхностей материалов и в качестве исходных веществ для получения ранее неизвестных веществ. Химия поверхностей — это вообще очень тонкое искусство, сродни ювелирному. С фундаментальной точки зрения есть существенные различия между традиционными реакциями в растворах и превращениями на поверхности. В классической органической химии мы можем описать практически любую реакцию. Но когда это превращение проходит на поверхности, открываются совершенно новые грани свойств реагентов, что как результат позволяет тонко регулировать поверхностные свойства веществ. Это манипуляции на пикомолярном уровне, и до сих пор эти превращения остаются крайне малоизученными, — рассказывает руководитель проекта Павел Постников.

Работа с поверхностью материалов позволяет изменять их свойства, при этом не затрагивая основу материала. — В качестве реагентов для таких превращений на поверхности мы планируем использовать иодониевые соли. Они достаточно распространены в органическом синтезе как активные реагенты для целого ряда полезных превращений. Но в химии поверхностей на них обратили внимание только недавно. Можно сказать, что это настоящий научный авангард, — говорит исследователь. — И Томский политех может сказать свое слово в новом направлении, потому что ученые кафедры уже сейчас являются признанными специалистами в иодониевой химии. Наша задача — получить новые фундаментальные знания и предложить новую концепцию применения иодониевых солей. Мы работаем над обогащением этой отрасли науки своими разработками.

Тоньше и интереснее

Иодониевые соли вызывают интерес у ученых благодаря своей особенности создавать лишь один слой новых органических групп на поверхности материалов. Иногда именно такого эффекта и необходимо достичь. Другие реагенты, например ароматические соли диазония, как правило, приводят к образованию нескольких слоев.

— Наша работа — это проект полного цикла. Он посвящен как разработке новых методов синтеза солей с использованием новых ресурсоэффективных технологий, так и их использованию для получения новых соединений для органической электроники и создания «умных» материалов с контролируемой смачиваемостью, отвечающих на внешние стимулы. Все эти процессы проходят на поверхности. Контролировать смачиваемость — способность материалов взаимодействовать с жидкостями — экстремально важно для целого ряда отраслей технологии. Так, например, полимеры медицинского назначения зачастую являются гидрофобными, что затрудняет взаимодействие с тканями и органами. После модификации поверхности они станут гораздо «дружелюбнее» к живым тканям и лучше приживутся. Соли иодония помогут нанести на поверхности лишь один слой необходимых органических соединений для повышения смачиваемости — и задача решена.

Соли иодония могут участвовать в создании еще одного интересного класса материалов. Это материалы, отвечающие на изменение температуры, освещенности и многих других физических факторов. Новые условия заставляют их менять свои свойства и выполнять новые функции.

Смартфон-пленка

Более того, иодониевые соли могут стать первым шагом к получению полностью органических смартфонов. Вообще органическая или пластиковая электроника — это сравнительно молодое направление научных исследований, возникшее около 15–20 лет назад. Его цель — разработка электронных устройств на органических полимерах и олигомерах, являющихся полупроводниками в светодиодах и полностью замещающих кремний в микросхемах. Они легче, пластичнее, им проще придавать нужную форму, чем неорганическим материалам. Если говорить о смартфонах, то в них уже сегодня используются органические материалы, в частности в дисплеях. А вот полностью органический смартфон будет прозрачным и тонким, как пленка.

— Несмотря на то, что уже есть определенные концепты такой электроники, использование иодониевых солей позволит сделать следующий шаг в глубину вопроса, — отмечает Павел Постников. — В одной из своих работ мы показываем, что можем очень тонко регулировать проводимость полимеров, очень эффективно изменять их поверхностные свойства. Это расширяет возможности получения полностью органических телефонов.

Всего в проекте, поддержанном Российским научным фондом, задействованы восемь молодых ученых ТПУ, среди них есть и аспиранты, и магистранты. Проект выполняется совместно с коллективами ученых из Университета химии и технологии (Чехия), Института химии материалов (г. Париж, Франция), Института химических исследований Каталонии (Испания), Университета Кардиффа (Великобритания), Университета Миннесота Дулут (США). Особая роль в совместных исследованиях отводится коллективу ученых кафедры органической химии Московского государственного университета, совместно с которой были успешно начаты совместные исследования в этом году.

Александра Лисовая