В лаборатории «Многомасштабное моделирование многокомпонентных функциональных материалов» ЮУрГУ создают вещества будущего – ковалентные органические каркасы. Они помогут расширить диапазон лазерных волн, обеспечить преобразования света, требующие «нелинейной оптики».
В настоящее время существует большой спрос на материалы с нелинейно-оптическими свойствами, которые можно использовать для оптических преобразований и расширения доступного диапазона лазерных волн. Современные подходы к проектированию нелинейно-оптических материалов часто опираются на вычислительные методы. Создание нецентросимметричных каркасов весьма актуально из-за повышенной стабильности по сравнению с молекулярными кристаллами, состоящими из легких атомов. Одним из наиболее перспективных материалов для нелинейно-оптических применений, разработанных в последние десятилетия, является семейство металлоорганических координационных полимеров. Они демонстрируют большое разнообразие пространственного расположения структурных блоков, характеристик пор и структурных переходов. Однако в дополнение к этим структурам появляется новый класс материалов, известный как ковалентные органические каркасы. Эти материалы создаются путем соединения органических структурных блоков заранее определенной структуры, которые полностью состоят из ковалентных связей между легкими атомами (C, Si, B, O, N). Создание упорядоченных конструкций каркасов с уникальными свойствами возможно путем тщательного подбора строительных блоков и контроля условий их сборки.
В связи с этим особенную важность приобретает изучение высокосимметричных каркасов. Выбор модельных объектов был обусловлен высокой стабильностью и кубической симметрией каркасов на основе тетра(4-дигидроксиборилфенил) метана, -силана и -германа.
С использованием современных теоретических подходов к моделированию нелинейно-оптических свойств кристаллов была продемонстрирована возможность регистрации сигнала второй гармоники от ковалентного органического каркаса кубической симметрии семейства COF-102 с заменой центрального атома в ряду C – Si – Ge и с замещением галогена в ароматическом кольце. Расчетные нелинейно-оптические свойства в ряду C – Si – Ge уменьшаются. Обнаружено решающее влияние длины связи между центральным атомом и бензольным кольцом на возникновение нелинейных свойств в ряду галоген-замещенных каркасов.
Работа выполнена в НИЛ Многомасштабное моделирование многокомпонентых функциональных материалов в рамках проекта РНФ 22-13-00170: «Тетрельные связи в химических соединениях подгруппы углерода: многомасштабное моделирование структуры и направленная функционализация материалов».