Кластеризация молекул легких фуллеренов (С60, С70) в растворах и ее влияние на оптические и нелинейно-оптические свойства растворов

Актуальность и востребованность темы диссертации. На сегодняшний день, в мире, новые аллотропные формы углерода, в частности фуллерены Сбо и С?о играют важную роль в интенсивном развитии отрасли физики наноразмерных систем. Поведение изолированных молекул фуллеренов Сбо и С70 в различных органических растворителях указывает на их склонность к самоорганизации и образованию наноагрегатов различных форм и размеров. Наноагрегаты фуллеренов обладают уникальными физическими свойствами, что делает их перспективными для использования в важнейших областях науки и техники в ближайшем будущем. В связи с этим исследование физических процессов, происходящих в этой направлении, является одной из важнейших задач современной физики.
В годы независимости уделяется большое внимание на развитие современной нанофизики и на проведение фундаментальных исследований по этим направлениям на мировом уровне. В этом плане удалось достичь значимых результатов в области синтеза и исследования, уникальных физических свойств различных наноструктурированных систем, к числу которых относятся атомные кластеры, нанотрубки, фуллерены, нанопленки, наногранулы, нанопоры, нанолволокна. В соответствии со Стратегией действия для дальнейшего развития Республики Узбекистан содействие научно-исследовательской и инновационной деятельности, уделение особого внимания созданию эффективных механизмов для реализации научных и инновационных достижений, в этом аспекте в области современной нанофизики имеет важное значение установление основных физических закономерностей процессов самоорганизации и самосборки молекул наноразмерных частиц.
На сегодняшний день в мире исследование процессов самоорганизации молекул фуллеренов и образования кластеров фуллеренов в растворах, а также изучение влияния кластеризации на оптические и нелинейнооптические свойства растворов фуллеренов открывает широкие возможности управления самоорганизующимися системами. В этой сфере реализация целевых научных исследований по следующим направлениям, является одним из важнейших задач: определение новых, ранее не установленных фундаментальных научных закономерностей об условиях зарождения и дальнейшего роста наноразмерных агрегатов фуллеренов в растворах; выявление конкретных физических механизмов самосборки и самоорганизации молекул фуллеренов в одно- и двухкомпонентных органических растворителях; разработка управляемых селективных методов синтеза как мономолекулярных плотноупакованных, так и пористых фрактальных наноагрегатов фуллеренов в растворах; исследование эволюции спектров электронного поглощения мономолекулярных растворов фуллеренов в широком интервале их концентраций; определение особенностей нелинейного взаимодействия лазерного излучения с наноагрегатами разных размеров в молекулярных растворах фуллеренов.
Научно-исследовательские работы, проводимые в вышеприведенных направлениях, указывают на актуальность темы данной дистертации.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан №-ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года, №-УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и №-ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является определение основных физических закономерностей процессов самоагрегации молекул фуллеренов Сео и С70 в ряде одно- и двухкомпонентных органических растворителях, а также их влияния на оптические и нелинейно-оптические свойства растворов.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
определены физические механизмы самосборки и самоорганизации молекул фуллеренов Сбо и С?о в одно- и двухкомпонентных органических растворителях. Показано, что в растворах, приготовленных сильно неравновесным способом (перемешивание раствора фуллерена механическим ротатором), синтезируются крупные пористые наноагрегаты (С«о)ш и (С7о)т квазисферической формы с фрактальной размерностью D^2.16±0.03;
экспериментально показано образование плотноупакованных мономолекулярных наноагрегатов (Сбо)т и (С?о)т в растворах фуллеренов Сбо и С?о, приготовленных равновесным способом (т. е. без использования внешних механических воздействий на раствор);
выявлены точные геометрические размеры рыхлых фрактальных и плотноупакованных кристаллических наноагрегатов (Сбо)т и (С?о)т, синтезированных в одно- и двухкомпонентных органических растворителей составляют ~400 нм и ~50 нм в диаметре, соответсвенно;
Заключение
На основе проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. Методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии высокого разрешения установлено, что в растворах фуллеренов Сбо и С70, приготовленных в органических растворителях (толуоле, бензоле) сильно неравновесным способом (перемешивание механическим ротатором) за счет процессов самоагрегации молекул фуллеренов преимущественно образуются крупные фрактальные наноагрегаты (Сбо)т и (С?о)т квазисферической формы с размерами в диаметре вплоть до ~400 нм. В то же время, в аналогичных растворах, приготовленных равновесным способом (т.е. без оказания внешних механических воздействий на раствор), формируются плотноупакованные мономолекулярные наноагрегаты (Сбо)т и (С?о)т с размерами в диаметре ~50 нм.
2. Установлено, что независимо от способа приготовления исходных растворов фуллеренов Сбо и С70 конечные геометрические размеры синтезированных в растворах наноагрегатов (Сбо)т и (€70)« растут прямо пропорционально исходной концентрации фуллеренов и времени самосборки.
3. Предложена физическая модель самоорганизации молекул фуллеренов Сбо и С?о в растворах, а также условия образования как плотноупакованных, так и фрактальных наноагрегатов. Показано, что полученные в растворах фрактальные наноагрегаты фуллеренов (Сбо)т и (Сто)т устойчивы к внешним механическим, а также температурным воздействиям.
4. Показано, что сразу же после приготовления растворов Сбо и С70 в органических растворителях (толуол, бензол, бензол+этанол) начинаются процессы самоагрегации молекул растворенного вещества, приводящие к резкому изменению спектров электронных поглощений растворов — уширению, взаимному сливанию, а также к ярко выраженному смещению в длинноволновую сторону.
5. Экспериментально исследован эффект самовращения эллипса поляризации импульсного лазерного излучения (Х»532 нм) в растворах С70. Выявлено, что увеличение степени эллиптичности лазерного излучения приводит к росту величины удельного вращения эллипса поляризации в растворах С70.
6. Найдена корреляция между процессами формирования, роста размеров наноагрегатов молекул С?о в растворах и величиной углов СВЭП проходящего через среду лазерного излучения.
7. Определены конкретные значения нелинейных показателей преломления п7 и нелинейных восприимчивости у’Уед-ш.ед-*»,) растворов фуллерена С?о в одно- (толуол, бензол) и двухкомпонентных (толуол+ацетонитрил) растворителях в широком интервале концентраций С70 и при различных степенях эллиптичности лазерного излучения.