Новый «умный» материал из полиэтилена и наночастиц

Российские ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова и МИФИ разработали новый материал из пористого полиэтилена и наночастиц. Благодаря своей прочности, флуоресцентным свойствам и термостабильности композит найдет применение в фотонике и альтернативной энергетике. Результаты работы опубликованы в журнале Polymer International. Исследования поддержаныгрантом Российского научного фонда (РНФ).

«Полученный нами композитный материал обладает, с одной стороны, флуоресцентными свойствами квантовых точек, с другой стороны — механическими свойствами полиэтилена. Он прозрачен в видимой области спектра, устойчив к высокой температуре, сохраняет оптические свойства при механических нагрузках, — рассказал руководитель проекта Валерий Шибаев. — При этом неорганические частицы составляют более 18% веса пленки и надежно "запаяны" внутри полимера. Композит может найти применение для преобразования высокоэнергетического УФ-излучения в свет видимого диапазона, что важно для задач современной энергетики. Например, в солнечных батареях такой композит повысит КПД и увеличит срок их службы».

Созданием «умных» материалов, свойствами которых можно будет управлять с помощью света, температуры или электрического воздействия, сегодня занимаются исследовательские группы по всему миру. В рамках нового исследования, поддержанного РНФ, группа ученых работает над созданием жидкокристаллических (ЖК) полимеров и композитов. Новый нанокомпозит можно будет использовать для производства светоизлучающих индикаторов различного цвета или солнечных батарей новых типов.

Гибридный материал состоит из обычного промышленного пористого полиэтилена и квантовых точек на основе селенида кадмия, покрытых сульфидом цинка (CdSe/ZnS). Квантовые точки — это наночастицы размером от одного до нескольких десятков нанометров (на острие самой тонкой швейной иглы может поместиться больше восьми миллионов квантовых точек). Они настолько маленькие, что для них действуют законы микромира. Например, квантовые точки одного и того же вещества, имеющие разный размер, излучают свет разного цвета, поскольку их способность поглощать и излучать световую энергию зависит от размера и формы. Ученых привлекают и другие характеристики квантовых точек: яркость флуоресценции, высокий квантовый выход и временная стабильность. Главный недостаток этих наночастиц в том, что на их основе невозможно создать прочный материал. Коллектив под руководством заведующего лабораторией химического факультета МГУ Валерия Шибаева решил поместить квантовые точки в «наноконтейнер» из пористого полиэтилена.

Оригинальный метод введения квантовых точек в поры полиэтиленовой пленки разработал один из авторов исследования, сотрудник химического факультета МГУ Мирон Бугаков. Создание материала проходило в несколько стадий. Первая из них — заполнение пористой полиэтиленовой пленки 20% раствором квантовых точек в октадецене. Органический растворитель октадецен близок по химическому строению к полиэтилену и благодаря этому легко проникает в его пористую структуру, насыщая стенки пор квантовыми точками. При этом, поскольку растворитель и полиэтилен имеют близкие показатели преломления, пленка становится прозрачной. На второй стадии необходимо убрать растворитель из пленки, не вымыв при этом квантовые точки. Для этого пленку промывают ацетоном. Без октадецена материал снова становится мутным, рассеивающим свет, и на третьей стадии требуется придать пленке прозрачность, а также «запечатать» наночастицы в пористой структуре полиэтилена. Для этого используют метод фотополимеризации. Полимеризация — это процесс образования из малых и коротких молекул-мономеров более сложных и длинных полимерных цепей, называемых макромолекулами. В полиэтиленовую пленку вводят смесь двух мономеров и фотоинициатор. Под воздействием ультрафиолетового (УФ) облучения химические связи фотоинициатора разрываются с образованием свободных радикалов, которые вызывают в полимерной пленке формирование трехмерной сетчатой структуры. Сохранение прозрачности пленки обеспечивается правильным выбором мономеров: важно, чтобы при их полимеризации образовывался сополимер с показателем преломления, близким к показателю преломления полиэтилена.

В итоге из мутной, сильно рассеивающей свет полиэтиленовой пленки исследователям удалось сделать прозрачный материал, сохраняющий оптические свойства квантовых точек. Облучение его синим светом вызывает флуоресценцию в желтой области спектрального диапазона.

На основе полученного материала ученые планируют разработать композиты, излучающие свет с заданной поляризацией, а также создать систему лазерной генерации света. Вместе с фотоуправляемыми ЖК-полимерами, над синтезом которых коллектив также активно работает, такие системы могут стать основой для управляемых светом робототехнических устройств, командных поверхностей, новых технологий защиты ценных бумаг и записи оптической информации.

Фото: (а) электронно-микроскопическая фотография исходной пористой пленки полиэтилена; (б) схема ориентированных пор в полимерной пленке; (в) строение микропоры, заполненной квантовыми точками и сшитой полимерной сеткой; (г) спектр флуоресценции образца полимерного композита.