Автор: Петров Михаил, STRF.ru
Источник: http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=21731&d_no=51967
Новый ЖК-материал, допированный квантовыми точками, разработали исследователи из МГУ, ИБХ РАН и МИФИ. Полученная управляемая структура может быть использована для разработки прототипов источников одиночных фотонов, средств записи графической информации и других фотоэлектронных устройств. Под действием электричества или света она локально меняет свои оптические характеристики, что вкупе с использованием, например, светонепроницаемой маски легко позволяет формировать на поверхности образца различные изображения.
В 60-х годах прошлого века бурно развивающейся микроэлектронике потребовались новые вещества, способные при малых затратах энергии быстро реагировать на изменения электрического поля. И они вскоре были найдены. Ими стали жидкие кристаллы – материалы, получившие своё название за сочетание несовместимого: текучести жидкости и анизотропии (зависимости физических свойств от направления, в ЖК-материалах это склонность молекул ЖК выстраиваться вдоль определённых превалирующих направлений) – свойства, присущего кристаллическим телам.
С тех пор аббревиатура ЖК, под которой поначалу подразумевали скромные дисплейчики калькуляторов, а после экраны телевизоров и мобильных телефонов, прочно вошла в нашу повседневную жизнь. В последние десятилетия исследователи работают уже над созданием новых, оптически управляемых ЖК-веществ, реагирующих на световые поля.
В недавнем номере журнала Advanced Materials появилась статья российских учёных из МГУ, ИБХ РАН и МИФИ в соавторстве с их ирландскими и белорусскими коллегами. Она посвящена созданию ЖК-систем, допированных квантовыми точками CdSe/ZnS, параметрами флуоресценции которых можно управлять. Такие ЖК-материалы могут быть использованы в современных устройствах фотоники, оптоэлектроники или квантовой криптографии.
Для решения главной задачи – достижения фотовосприимчивости – исследователи использовали ЖК-материалы, допированные фотохромными хиральными соединениями, которые формируют закрученную спиральную структуру. Дифракция света на этой структуре приводит к его селективному отражению на длине волны, зависящей от параметров спирали. Поэтому, когда под действием излучения раскручивается спираль, меняются и оптические характеристики излучения всего материала, а также параметры флуоресценции квантовых точек, внедрённых в ЖК-матрицу.
«Основная идея состоит как раз в электро- или фотоуправлении параметрами фотолюминесценции этих квантовых точек, – поясняет в интервью STRF.ru один из авторов исследования, доцент химфака МГУ доктор химических наук Алексей Бобровский. – Вместо них можно было использовать и обычные органические флуорофоры, но квантовые точки обладают важным преимуществом – фотостабильностью».
Всё это немного напоминает мудрёный рецепт – смешать текучесть и анизотропию для получения жидких кристаллов, добавить хиральных центров для получения холестерических ЖК с особыми оптическими свойствами, а сверху всё «присыпать» флуоресцирующими наноточками. Но за каждым из ингредиентов стоят годы экспериментов.
«Плохая растворимость квантовых точек в ЖК-матрице стала главной трудностью в нашей работе. Поэтому сейчас мы уже ведём работы по радикальному улучшению их совместимости, – рассказывает Алексей. – Но главное, что рецепт уже работает. При облучении УФ-светом сдвигается пик селективного отражения света, изменяется цвет образца. А под воздействием электрического поля падает интенсивность отражения за счёт роста светорассеяния».
Характеристиками нового материала можно управлять и за счёт электричества. Только механизм изменения оптических свойств здесь несколько отличается от описанного выше светового. Приложение внешнего электромагнитного поля приводит к обратимой деформации спиральной структуры в ЖК-ячейке. Это сопровождается уменьшением светопропускания, что, в свою очередь, изменяет параметры флуоресценции материала.
Обсуждая способы использования такого фото- и электроуправляемого материала, исследователи говорят о перспективах разработки источников одиночных фотонов для квантовой криптографии. (Квантовые состояния одиночных фотонов нарушаются при попытке их регистрации любыми средствами. Поэтому их предлагают использовать для новых алгоритмов кодирования информации в квантовой криптографии – получающий и передающий агенты точно будут знать, пытались перехватывать их сообщение или нет.) Также в работе показана принципиальная возможность хранения информации, записанной за счёт локального изменения оптических свойств материала. Проще говоря, достаточно будет посветить на материал, чтобы увидеть изображение. В идеале такая характеристика приложений обеспечит бесконечное хранение информации в цифровом виде.
Работа проведена при поддержке мегагранта Министерства образования и науки РФ, а также грантов РФФИ и Европейской комиссии.
Источник информации:
Alexey Bobrovsky, Konstantin Mochalov, Vladimir Oleinikov, Alyona Sukhanova, Anatol Prudnikau, Mikhail Artemyev, Valery Shibaev and Igor Nabiev, Optically and Electrically Controlled Circularly Polarized Emission from Cholesteric Liquid Crystal Materials Doped with Semiconductor Quantum Dots. Adv. Mater. 2012, 24.
В.П. Шибаев «Жидкие кристаллы – “кентавры” природы». Природа, № 1, 2012.
В.П. Шибаев «Полимерные кентавры». Природа, № 6, 2012.