Металлорганические каркасы (МОК) сегодня привлекают внимание учёных всего мира как основа для материалов будущего. Они позволяют совмещать свойства металлов и органики, создавать наноячейки с прочными каркасами, в которые, например, можно упаковывать молекулы лекарств для их таргетированной доставки в организме.
И вот новая неожиданная идея: заставить кристалл с металлорганическим каркасом светиться! Изобретение сделано международным коллективом учёных из Лотарингии (Франция), Узбекистана, Санкт-Петербурга (легендарный ИТМО), а старший научный сотрудник ЮУрГУ Ирина Юшина представляет в нём Южный Урал.
Результат опубликован в престижном журнале «Обзоры по лазерам и фотонике», входящем в первый квартиль научных изданий Scopus (https://doi.org/10.1002/lpor.202501152 ).
Учёные нашли элегантное решение: использовали кристалл металл-органического каркаса на основе эрбия и тримезиновой кислоты (Er-BTC).
Выяснилось, что его уникальная нецентросимметричная структура (ячейка 1×1×1.4 нанометра) обладает огромной гиперполяризуемостью.
Иными словами, это позволяет кристаллу эффективно смешивать световые волны, распространяя их практически в любом направлении.
Главный результат в том, что, подсвечивая тончайший кристалл (всего 50 микрон!) с помощью лазерных импульсов с длиной волны 800-1520 нанометров, учёные получали на выходе каскад до 32 пиков (цветов) в спектре от 400 до 750 нанометров.
Поясним: экспериментаторы светили в инфракрасном диапазоне, невидимым для человеческого глаза лучом, а результат получали в видимом диапазоне, точнее даже немного более широком – от фиолетового до тёмно-красного.
Представьте себе, что мизерная точка вдруг вспыхнула множеством красок, пропустив которые через линзу можно получить настоящую цветовую феерию.
Цвета получились не просто «сочные», но устойчивые: они сохранялись и через два часа работы экспериментальной установки, при нагреве до 50оС.
«В совместном исследовании я занимаюсь квантовыми химическими расчетами, которые не предполагают прямую работу с образцом, но отвечают за работу с его структурной моделью.
Для некоторых задач это оказывается очень полезно, так как реальный кристалл, который фигурирует в данной работе, очень маленький, для него нет возможности получить ориентационные данные. Используя полученные нами результаты расчетов, можно попробовать сопоставить расчётное и экспериментальное представления о структуре кристалла, сравнить данные и получить их интерпретации, которые наблюдаются в эксперименте. Конкретно моя роль в исследовании – расчётная. Это попытка объяснить: какие именно структурные принципы лежат за наблюдаемыми оптическими эффектами», – комментирует специфику работы научный сотрудник лаборатории Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов, кандидат химических наук Ирина Юшина.
Полученные результаты имеют фундаментальное значение для решения проблемы детектирования физических процессов в инфракрасном диапазоне через видимый спектр, что напрямую соотносится с разработками лаборатории квантовой инженерии света ЮУрГУ, в частности, с анализаторами концентраций газа молодого ученого Анны Патеровой, и открывает путь к созданию сверхчувствительных элементов квантовой сенсорики.
Другое возможное применение изобретения – лазерная медицина. Сегодня хирургам, использующим лазеры, приходится менять громоздкие насадки, чтобы подобрать нужную длину волны. Нанотехнологии могут сделать их инструменты куда более компактными!
И наконец, третье, самое заманчивое: 6G-интернет, квантовые компьютеры и сети будущего.
Напомним, если обычный компьютер имеет дело с электрическими сигналами, то квантовый использует вместо них фотоны, откалиброванные определенным образом. Кристалл с металлорганическим каркасом мог бы стать «сердцем» квантового чипа – технологическим решением того, чего в наши дни физики-создатели квантовых технологий добиваются на оптических столах, экспериментируя с фотонами.
Остап Давыдов