Металл-органические каркасы (Metal-organic frameworks, MOFs) — сравнительно новый класс соединений, завоевавший интерес ученых благодаря своим уникальным свойствам. Долгое время его рассматривали как материал для адсорбции газов, производственных мембран и в качестве эффективного катализатора. Но ученые ИТМО пошли дальше и сконцентрировались на оптических свойствах MOFs. В своей работе они показали, что металл-органические каркасы за счет своей гибкости способны обратимо менять оптические свойства при воздействии на них лазером. Этот эффект может лечь в основу полностью оптических методов кодирования, передачи и хранения информации.

Источник: photogenica.ru

Что такое металл-органические каркасы

Представьте себе структуру кристаллической решетки металла — на уроках химии ее показывали в виде куба с атомами металла в вершинах, а грани обозначали как связи между ними. А теперь замените металлические связи на длинные органические молекулы. Такие углеродные цепочки длинные и более гибкие, чем жесткие металлические каркасы, поэтому в элементарных ячейках получившегося материала образуются пустоты, которые и обуславливают его пористость, гибкость и хорошую поглощающую способность.

Сегодня металл-органические каркасы — химически синтезируемые кристаллы,  популярные за счет того, что они способны обратимо изменять свойства под различными воздействиями, например давлением или температурой. Благодаря этому эффекту можно управлять некоторыми полезными свойствами металл-органических кристаллов, а само их использование становится многоразовым и коммерчески оправданным.

Особый интерес представляет использование MOFs в полностью оптических элементах записи и передачи информации, в основе работы которых лежат фотоны. Такие устройства быстрее, эффективнее и менее энергозатратны, чем вычислительные электронные элементы, используемые сегодня.

Как применять MOFs в устройствах скрытой передачи и записи информации

Несмотря на существующие перспективные работы по использованию MOFs для записи и хранении электронной информации, этот процесс все равно остается долгим и энергозатратным. В новом исследовании ученые Нового физтеха ИТМО и Института неорганической химии им А. В. Николаева продемонстрировали, что особая структура металл-органических каркасов обеспечивает обратимое и контролируемое изменение оптических свойств при фотоиндуцированном (вызванном воздействием лазера) нагреве.

Дело в том, что при облучении MOFs лазер сообщает материалу энергию и его кристаллическая решетка начинает активно колебаться, из-за чего объем кристалла увеличивается и материал изменяет незначительно — незаметно глазу — свою прозрачность. При этом наблюдаемый эффект не зависит от длины волны, но если облучение прекратить, то кристаллы возвращаются в исходное состояние и могут повторять это действие тысячи раз подряд.

«Вы наверняка пользовались CD-дисками и замечали, что при записи информации на нем выжигается дорожка. Здесь примерно то же самое: мы также побитово “выжигаем” информацию, только не механически, а оптически. Еще одно отличие в том, что наш материал, в отличие от CD-диска, экологичнее и состоит из доступных элементов», — рассказывает первый автор статьи, младший научный сотрудник Нового физтеха Никита Кулаченков.

Для использованных исследователями одно- и двухмерных кристаллов на основе ионов меди время перехода составило миллисекунды, а количество обратимых переходов в рабочих условиях — более 10^3 циклов. И несмотря на то, что в существующих устройствах записи предел передачи информации — наносекунды, для MOFs это очень большой рывок вперед.

«Мы продемонстрировали фундаментальный эффект, который можно представить как некий логический ключ. У нас есть два состояния, между которыми мы переключаемся: исходное и возбуждаемое лазером метастабильное, или нуль и единицы. Потенциально этот эффект можно использовать, например, в телекоммуникационных устройствах. Возьмем оптоволокно и сделаем на него насадку из нашего кристалла. Еще у нас есть луч, который проходит через кристалл и попадает на фотоприемник. Добавим еще один луч, направленный на кристалл с другой стороны, — теперь за счет фотоиндуцированного нагрева мы можем менять оптические свойства MOF, а значит и влиять на информацию на фотоприемнике», — объясняет Никита Кулаченков.

Что дальше

Работа по фотоиндуцированному нагреву — не первое исследование MOFs ученых ИТМО. Два года назад они продемонстрировали первый химически синтезированный оптический ключ, а год назад — показали, что на наномасштабных металл-органических пластинках можно записывать экстремально большие объемы данных. И останавливаться на достигнутом не собираются.

«Гибкие металл-органические каркасы, быстро реагирующие оптически как пружинка на механическое растяжение, очень перспективны в оптике для обработки той же оптической информации в “секретном режиме”. Это, можно сказать, сейчас одно из новых направлений физической химии, где наша лаборатория планирует заниматься направленным дизайном таких гибких каркасов с улучшенными рабочими характеристиками с последующей сборкой реальных оптических устройств», — заключает соавтор статьи, старший научный сотрудник Нового физтеха Валентин Миличко.

Статья: N. Kulachenkov, M. Barsukova, P. Alekseevsky, A. Sapianik, M. Sergeev, etc, Dimensionality Mediated Highly Repeatable and Fast Transformation of Coordination Polymers Single Crystals for All-Optical Data Processing (Nano Letters, 2022).

Евгений Шилинг

Журналист