Международный коллектив ученых, в состав которого вошли сотрудники ИФХЭ, ИНХС и ИК РАН, при помощи молекулярной теории и компьютерного моделирования описал строение сложных композитов на основе блок-сополимеров и анизотропных наночастиц. Новые результаты позволят в будущем проектировать и синтезировать нанокомпозитные системы для фотовольтаики, литографии и мембранных технологий. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в The Journal of Chemical Physics.

В основе современных нанокомпозитов, как правило, лежат вещества, способные образовывать высокоупорядоченные структуры с определенной геометрией: чередующиеся плоские слои, нити, точечные включения и более сложные комплексы. Материалы на основе блок-сополимеров — полимерных цепочек, сшитых из нескольких блоков с различными свойствами, — привлекают пристальное внимание в этой области. Ведь варьируя состав и соотношение длины блоков в макромолекуле, можно синтезировать богатый набор структур, причем их сборка происходит самопроизвольно, без какого-либо внешнего воздействия.

Отдельный интерес представляют комбинации блок-сополимеров и добавок на основе наночастиц. Некоторые типы этих объектов, например наностержни, могут дополнительно упорядочиваться благодаря своей анизотропной форме. Благодаря этому возможно будет получить новые материалы с необычными свойствами. Теоретически проанализировать такие структуры — особенно сложная задача.

В новой работе российские ученые вместе с коллегами из Германии и Великобритании исследовали композиты, использовав в качестве основного метода мезоскопическое компьютерное моделирование. Этот подход позволяет задать все необходимые параметры исследуемой системы независимо от ее сложности и при этом проанализировать полученные результаты на более глубоком уровне, чем при традиционном эксперименте. Кроме того, исследователи разработали молекулярную теорию, которая предсказывает строение фаз, образованных упорядоченными молекулами блок-сополимера и наностержнями.

Слои композита из блок-сополимера с включением наностержней, «сфотографированные» в компьютерной модели. Анатолий Березкин

Оказалось, что в зависимости от доли наночастиц в системе могут возникать самые разные структуры: от параллельных чередующихся слоев блок-сополимера до разупорядоченных состояний, в которых наностержни образуют самостоятельные включения. При этом, варьируя сродство наночастиц к тем или иным блокам в полимерной цепочке, жесткость частиц и их длину, можно добиваться различной степени ориентации стержней в образующихся слоях. Все это позволяет контролировать структуру нанокомпозита еще на этапе синтеза молекул и частиц, из которых он будет состоять.

По мнению авторов, их работа открывает широкий простор для последующих исследований, как теоретических, так и экспериментальных. В будущем ученые планируют изучить больше частиц и блок-сополимеров, чтобы охватить еще большую часть структур, образующихся в подобных системах.