Курсы лекций

Курсы лекций МФТИ

4 курс

Фотоника молекул и супрамолекулярных структур

(чл-корр РАН Чибисов А.К., проф. Плотников В.Г.)

Введение

Значение курса фотоники молекул и наноразмерных структур для физиков, специализирующихся в области физики супрамолекулярных систем. Предмет молекулярной фотоники. Задачи, стоящие перед дисциплиной. Ее структура и содержание.

Краткая история развития фотофизики и фотохимии. Область применения фотоники и ее значение.

Тема 1. Поглощение света. Образование электронно-возбужденных состояний

Волновые и корпускулярные свойства света и их проявление. Длина волны излучения, частота и волновое число. Энергия кванта света.

Поглощение и пропускание. Закон Бугера-Ламберта-Беера. Оптическая плотность, коэффициент молярного поглощения. Интенсивность поглощенного света. Поглощение в светорассеивающей среде.

Энергия молекулы. Электронные, колебательные и вращательные состояния. Спектр поглощения и его происхождение. Интенсивность электронных переходов, сила осциллятора. Правила отбора. Спиновая мультиплетность; синглетные и триплетные состояния. Классификация электронных переходов и электронно-возбужденных состояний. Энергетическая диаграмма состояний (Диаграмма Яблонского).

Тема 2. Процессы диссипации энергии электронно-возбужденных

состояний

Классификация излучательных процессов дезактивации электронно-возбужденных состояний. Флуоресценция, фосфоресценция, замедленная флуоресценция и ее виды. Характеристики излучательных процессов дезактивации.

Классификация безызлучательных процессов дезактивации электронно-возбужденных состояний. Внутренняя конверсия. Интеркомбинационная конверсия. Правила Эль-Саяда. Колебательная релаксация.

Спин-орбитальное взаимодействие. Эффект тяжелого атома.

Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения. Индуктивно-резонансный и обменно-резонансный перенос энергии.

Тема 3. Кинетика фотопроцессов

Скорость дезактивации электронно-возбужденных состояний. Способы нахождения констант скорости основных фотофизических процессов. Квантовый выход флуоресценции и фосфоресценции.

Кинетика тушения электронно-возбужденных состояний. Уравнение Штерна-Фольмера. Тушение 1-го и 2-го рода.

Квантовый выход фотохимических реакций. Дифференциальный и ин-тегральный квантовый выход. Квантовый выход последовательных и параллельных фотореакций.

Скорость фотохимических реакций. Нахождение квантового выхода фотореакций из кинетических данных. Порядок фотохимических реакций. Метод стационарных концентраций применительно к фотореакциям. Способы нахождения констант скорости фотохимических реакций.

Тема 4. Особенности фотохимических реакций

Законы фотохимии. Закон Гроткуса-Дрепера. Закон Штарка-Эйнштейна. Глубина протекания реакций. Кривые потенциальной энергии молекулы в основном и электронно-возбужденном состояниях.

Свойства молекул, изменяющиеся при возбуждении. Потенциал ионизации и сродство к электрону. Кислотно-основные свойства молекул. Цикл Ферстера-Веллера. Дипольный момент и геометрия молекул. Реакционная способность молекул в возбужденном состоянии. Синглетно-возбужденные и триплетные состояния.

Фотореакции в газовой и конденсированной фазе. Клеточный эффект. Специфика фотореакций в твердых матрицах. Стабилизация фотопродуктов.

Влияние среды на направление протекания реакции. Сольватация. Реакция с растворителем. Перенос атома водорода от молекулы растворителя.

Тема 5. Классификация фотохимических реакций

Адиабатические и диабатические реакции. Одно- и двухквантовые фотореакции. Фотосенсибилизированные реакции. Механизмы фотосенсибилизации. Перенос энергии. Окислительный и восстановительный механизмы фотосенсибилизации. Цепные фотореакции. Квантовый выход цепной фотореакции, длина цепи.

Тема 6. Установление механизмов фотохимических реакций.

Промежуточные продукты

Конкурентное тушение электронно-возбужденных состояний. Сенсибилизированное заселение триплетных уровней (триплет-триплетный перенос энергии). Квантовый выход фотореакций. Зависимость скорости фотореакций от интенсивности света. Свет как реагент.

Эксиплексы, эксимеры, ион-радикальные пары. Энергетический профиль реакции. Способы управления маршрутом фотореакции.

Тема 7. Молекулярные агрегаты как наноразмерные системы

Спектральное проявление агрегации и определение агрегационного числа. J-агрегаты полиметиновых красителей и их практическое применение. Кинетика J-агрегации. Автокаталитический механизм и стадия зародышеобразования.

Тема 8. Особенности фотореакций димеров

Процесс димеризации и его спектральное проявление. Батохромный и гипсохромный сдвиги в спектрах поглощения. Интеркомбинационный переход в димерах. Сенсибилизированные реакции фотопереноса электрона с участием димеров.

Тема 9. Окислительно-восстановительные фотохимические реакции

(реакции фотопереноса электрона)

Реакции восстановления и окисления. Первичные и вторичные процессы. Движущая сила в окислительно-восстановительных фотореакциях. Условие протекания фотореакции.

Скорость реакции фотопереноса электрона. Зависимость константы скорости реакции от изменения термодинамического потенциала Гиббса. Соотношения свободных энергий Маркуса и Рэма-Веллера. Диффузионная и кинетическая области.

Комплексы с переносом заряда (КПЗ). Спектральная сенсибилизация.

Роль среды в реакции фотопереноса электрона. Квантовый выход окислительно-восстановительной фотореакции. Вторичные реакции продуктов фотопереноса электрона.

Тема 10. Реакция фотодиссоциации

Прочность химической связи. Энергия диссоциации. Модели фотодиссоциации. Диссоциация из связывающего состояния. Диссоциация в континуум. Предиссоциация. Гомолитический и гетеролитический механизмы фотодиссоциации. Роль сольватации. Двухквантовый механизм фотодиссоциации.

Тема 11. Реакция фотополимеризации

Несенсибилизированная и сенсибилизированная фотополимеризация. Инициирование фотополимеризации. Реакция зарождения, развития и обрыва цепи. Свободно-радикальный и ионный механизм полимеризации. Фотосенсибилизаторы, активаторы. Кинетика реакции фотополимеризации.

Тема 12. Реакция фотоизомеризации

Цис-транс фотоизомеризация. Фотокаталитическая изомеризация. Синглетно-возбужденные и триплетные состояния в реакции цис-транс изомеризации. Фотосенсибилизированная цис-транс изомеризация. Кинетика цис-транс фотоизомеризации. Необратимая и обратимая реакции.

Тема 13. Фотореакции присоединения и замещения

Общие представления о реакции фотоприсоединения. Фотодимеризация коричной кислоты. Поливинилциннамат. Реакции фотозамещения алифатических соединений. Реакция фотозамещения в ароматическом ядре.

Тема 14. Фотореакции полимеров

Фотопревращение полимеров и способы их регулирования. Фотостабилизация полимеров. Неорганические и органические стабилизаторы. Металлорганические соединения.

Тема 15. Синглетный кислород и процессы фотодеструкции

Триплетный кислород и его реакции. Молекулярные орбитали кислорода в триплетном состоянии. Образование синглетного кислорода и его свойства. Основные реакции синглетного кислорода. Способы предотвращения фотодеструктивного окисления веществ. Принцип фотодинамической терапии.

Тема 16. Фотохромные превращения

Определение фотохромизма и его происхождение. Реакции, лежащие в основе фотохромных превращений красителей. Фотохромизм спиросоединений и кинетика их превращений.

Тема 17. Практические аспекты фотоники. Регистрация информации

Получение изображения с использованием КПЗ. Спектральная сенсибилизация. Фотоперенос электрона с участием солей диазония. Фотодиссоциация диазосоединений Получение изображения с использованием диазосоединений.

иазотипия. Везикулярный процесс получения изображения. Платинотипия и палладиотипия. Реверсивные светочувствительные системы. Способы получения рельефного изображения. Хромированные полимеры.

Лекция 18.

Квантово-механическая теория молекул. Виды молекулярных степеней свободы и типы молекулярных спектров. Адиабатическое приближение. Условия применения адиабатического приближения и его нарушения. Эффект и псевдоэффект Яна-Теллера. Спин-орбитальное взаимодействие и чисто спиновые состояния. Синглетные и триплетные состояния. Правило Гунда. Электронные термы. Гармонические колебания ядер. Орбитальные типы электронно-возбужденных состояний. Электронные состояния * и n*-типа, их энергии и синглет-триплетное расщепление.

Лекция 19.

Оптические переходы в молекулярных системах. Синглет-синглетные переходы. Приближение Кондона. Переходы, разрешенные в дипольном приближении. Переходы, запрещенные в дипольном приближении, электронно-колебательное взаимодействие. Синглет триплетные переходы. Закономерности спин-орбитального взаимодействия в ароматических и гетероароматических молекулах и вероятности переходов, запрещенных по мультиплетности. Процессы излучения. Радиационные времена жизни возбужденных состояний * и n* типа. Поляризация переходов. Колебательная структура полос поглощения и излучения. Правило зеркальной симметрии Свешникова. Колебательная релаксация.

Лекция 20.

Безызлучательные переходы. Общая теория приготовления возбужденных состояний молекулярных систем при взаимодействии с электромагнитным излучением. Понятие о цикле Пуанкаре и необратимости перехода. Процессы безызлучательной конверсии. Взаимодействия, приводящие к процессам конверсии. Основные закономерности процессов внутренней конверсии (закон энергетической щели, закон Вавилова, правило Каша и правило Ермолаева-Свешниковой). Закономерности процессов синглет-триплетной конверсии (переход между состояниями одинаковой и различной орбитальной природы). Процессы триплет-синглетной конверсии.

Лекция 21.

Основные закономерности люминесценции многоатомных молекул. Пять типов относительного расположения синглетных и триплетных *- и n*- состояний и пять спектрально-люминесцентных типов молекул. Основные спектрально-люминесцентные характеристики этих типов. Инициирование процессов конверсии адиабатическими фотохимическими реакциями. Процессы двухквантовой фотохимии и требования к фотофизическим свойствам фотостабилизаторов. Основные типы фотостабилизаторов полимеров.

Самосборка и самоорганизация молекул и наноструктур

(Н.А.Лобова, канд. хим. Наук, П.Л.Лебедев-Степанов, канд. физ.мат.наук, В.Г.Авакян, канд. хим. Наук, доцент)

Пространственное строение органических соединений

Стереоизомерия соединений углерода. Способы пространственного изображения молекул и номенклатура. Хиральность. Симметрия на молекулярном уровне. Энантиомеры и диастереомеры. Конфигурация и конформация. Установление конфигурации. Рацематы. Разнообразие причин хиральности (осевая, планарная и спиральная хиральность). Конформации ациклических систем. Конформации циклических систем.

Пространственное строение соединений азота и координационных соединений

Стереохимия соединений азота. Разнообразие центров хиральности (соединения фосфора, кремния, серы). Основные понятия координационной химии. Строение комплексов. Дентатность. Хелаты. Топичность. Координационное число. -Лиганды. Изомерия координационных соединений.

Основные классы фотохромных соединений

Фотохромизм. Реакции фотодиссоциации и фотоперегруппировки. Переходные состояния в согласованных реакциях. Участие гетероатомов в электроциклических реакциях. Фотохромные супрамолекулярные системы. Фотоуправляемые молекулярные машины.

Органические люминофоры

Особенности строения органических люминофоров. Структурные факторы влияющие на люминесценцию. Основные классы органических люминофоров. Ароматические углеводороды и их замещенные. Соединения с арилэтиленовой группировкой. Соединения с экзоциклической C=N-группой. Пятичленные гетероциклические соединения. Шестичленные гетероциклические соединения. Соединения с карбонильной группой. Применение органических люминофоров.

Введение в супрамолекулярную химию

Концепции положившие начало супрамолекулярной химии. Основные этапы становления супрамолекулярной химии. Возникновение супрамолекулярной химии как самостоятельной науки. Клатраты и кавитаты. Термины описывающие взаимоотношения между «хозяином» и «гостем». Хелатный и макроциклический эффекты. Природа супрамолекулярных взаимодействий. Основные положения супрамолекулярной химии.

. Молекулярное распознование ионов металлов и молекул органических соединений

Молекулярное распознавание. Распознавание, комплементарность. Виды молекулярного распознавания. Сферическое распознавание. Классы лигандов. Селективность катионного комплексообразования. Тетраэдрическое распознавание. Распознавание ионов аммония и родственных ему субстратов. Линейное распознавание длины молекул при помощи битопных сорецепторов. Хиральное распознавание. Множественное распознавание. Гетеротопные сорецепторы. Молекулы-кавитанды для нейтральных молекул.

Упорядочение ансамбля частиц в диссипативной открытой системе: физическая сущность явления.

Две основные задачи при описании самосборки в микрокаплях и тонких пленках:

1) Эволюция поверхности капли вследствие испарения жидкости с учетом влияния частиц и связанные с этим поведение контактной линии и гидродинамические потоки.

2) Динамика частиц внутри капли.

Движущие силы самосборки: взаимодействия основных компонентов системы в процессе самосборки. Испарение растворителя. Сольватация наночастиц. Капиллярные взаимодействия между растворителем и частицей, раствором и подложкой.

Способы управления взаимодействиями: изменение внутренних и внешних параметров системы: типов подложек, типов растворителя, типов материала частиц, изменение начальной концентрации, объема капли, температуры и влажности окружающей среды. Критерии учета разных факторов: охлаждения поверхности при испарении, гравитации, потоков Марангони, Рэлея и др.

Растворы наночастиц как объект коллоидной химии. Межчастичные потенциалы в растворе в большом объеме и их особенности в микрокапле. Вандерваальсовы (межмолекулярные) и кулоновские силы. ДЛФО и другие теории.

Кинетика и динамика наночастиц в растворе, роль растворителя, подложки, межфазной границы. Теория Смолуховского и Фукса. Применение ПАВ для стабилизации коллоидных растворов.

Назначение компьютерного эксперимента. Результаты реальных экспериментов по самосборке ансамблей наночастиц и теоретической (в т.ч. компьютерной) их интерпретации. Демонстрация видео по испарению капли.

Методы моделировани: континуальный (частицы описываются средней плотностью); полудискретный (частицы описываются явно, растворитель - неявно); дискретный (частицы и растворитель описываются явно: имеет смысл только для наночастиц размером около 1 нм). Замечание о выборе системы единиц. Основные уравнения и методы решения. Аналитические оценки и компьютерный эксперимент. Достижения в компьютерном эксперименте. Основные представления о диссипативной динамике частиц и особенностях ее применения для системы с подвижными внешними границами (уменьшающимся объемом капли или жидкой пленки). Отличие от молекулярной динамики.

Сравнение численного и реального экспериментов.

Макроциклы как рецепторные центры молекул и катионов .

Конформации ациклических систем

Относительность понятий конфигурации и конформации

Конформации циклических систем

Конформации циклических систем (Cl-циклогексан), относительные энергии, Е, ккал/моль

Конформации циклических систем – 12-краун-4-эфир

Конформации циклических систем – 15-краун-5-эфир

Конформации циклических систем – 18-краун-6-эфир

Структуры и энергии образования, ккал/моль, комплексов формилбензокраунэфиров с этиламмонием

Структура и энергия образования, ккал/моль, комплекса формилбензоаза-15-краун-5-эфира с Ca(ClO4)2

Образование, структура и спектры «катион-накрытых» комплексов бензокраун-стириловых красителей

Две наиболее энергетически выгодных структуры и «катион-накрытых» комплексов бензокраун-стириловых красителей

Зависимость энергии «катион-накрытых» комплексов бензокраун-стириловых красителей от расстояния NN

ЦИКЛОДЕКСТРИНЫ как рецепторный центр связывания ароматических молекул. Строение комплексов состава 1:1.

Физические характеристики -, -, -циклодекстринов

ЦИКЛОДЕКСТРИНЫ как рецепторный центр связывания ароматических молекул. Строение комплексов состава 1:1. -ЦИКЛОДЕКСТРИНЫ

Эксимерная флуоресценция

Фосфоресценция в трехкомпонентных комплексах

Повышение разрешения спектра фосфоресценции комплекса “нафталинd8 - -циклодекстрин - адамантан” при поинжении температуры до 77К (2).

Спектры фосфоресценции при 77К: 1- нафталин-d8 в микрокристаллах ЦД, 2- в гексане, 3 – в диэтиловом эфире и 4 – в трехкомонентном комплексе “нафталин-d8 –ЦД – циклогексан”

Поиск оптимальной конформации

Методы оптимизации (минимизации) в ММ

5 курс

Физико-химические методы исследований. Введение в методы оптико-спектроскопических измерений.

(к.ф-мат.наук Петров Н.Х.)

1. Введение. Физическая и химическая методология. Ошибки измерения – грубые (промахи), систематические, случайные. Статистическая гипотеза. Распределения Гаусса (нормальное). Математическое ожидание и дисперсия. Выборочное среднее и выборочная дисперсия. Среднеквадратичная ошибка среднего. Критерий χ². Сглаживание (регрессия). Функция корреляции как критерий случайности

2. Измерительные устройства – общая схема, «черный ящик»: датчик, усилитель преобразователь, устройство вывода. Передаточные характеристики. Линейный режим. Нелинейный режим. Динамические свойства. Недемпфированный режим. Передемпфированный режим. Время отклика. Функция Хэвисайда, «ступенька». Функция Дирака. Периодический сигнал. Частотная характеристика. Обратная связь (улучшение стабильности, линейности системы).

3. Аналоговый сигнал, квадрат амплитуды – энергия сигнала. Отношение сигнала к шуму (по мощности). Предел чувствительности (с/ш=1). Метод усреднения. Интегрирование аналогового сигнала (фильтр НЧ). Примеры спектральной плотности шумов (фликкер шум). Дробовой шум (формула Шотки).

4. Преобразование Фурье – почему синусоида? Естественные пределы измерений физических величин. Тепловой шум. Гальванометр. Измерение тока счетом отдельных электронов.

5. Синхронное детектирование. Модуляционная техника измерений. Датчики. Вакуумный фотоэлемент: фотоэффект, спектральная чувствительность, линейность, полоса частот. Темновой ток. Формула Ричардсона.

6. Охлаждение фотокатода – холодильник Пельтье. Полупроводниковый фотоэлемент: p-n переход, фотодиод и светодиод. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). ФЭУ с микроканальным умножением электронов.

7. Счетчик одиночных фотонов: статистика Пуассона, амплитудное распределение выходных сигналов ФЭУ, мертвое время. Методы измерения времени затухания люминесценции. Определение люминесценции, фосфоресценции и флуоресценции. Диаграмма Яблонского (исторические замечания). Определение времени жизни флуоресценции.

8. Метод счета одиночных коррелированных фотонов. Импульсные источники света. Амплитудный дискриминатор. Время-амплитудный преобразователь. Многоканальный амплитудный преобразователь. Связь между распределением по временам задержки отклика системы на импульсное возбуждение и зависимости интенсивности флуоресценции от времени. Отклик на возбуждение нулевого протяжения, но конечной энергии (функция Дирака). Свертка, обращение свертки (деконволюция). Представление затухания флуоресценции в виде суммы экспонент (физ. смысл такого представления).

Кинетическая модель двух флуоресцирующих состояний, связанных между собой. Метод квазистационарных состояний.

9. Модуляционно-фазовый метод определения времен жизни. Основные формулы для мономолекулярного распада. Коэффициент модуляции и сдвиг фазы как функция частоты модуляции. Исторические замечания. Основные формулы для общего случая мультиэкспоненциального затухания флуоресценции. Источники возбуждения флуоресценции. Методы модуляции (ячейка Покельса).

10. Явление поляризации света. Двойное лучепреломление. Деполяризация флуоресценции. Поляризатор. Линейная, циркулярная (круговая) поляризации. Вектор поляризации. Связь с теорией матриц плотности. Поляризационное отношение, степень поляризации, анизотропия поляризации. Зависимость анизотропии поляризации от времени. Вывод формулы Левшина-Перрена.

СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ

(чл-корр.РАН Громов С.П.)

Тема 1. Введение в молекулярную химию

Стереохимия соединений углерода. Насыщенные соединения. Энантиомерия. Олефины. Ацетилены. Циклоалканы. Пространственное напряжение. Конфигурация и конформация. Конформации ациклических молекул. Конформации производных циклогексана. Конформации нешестичленных карбоциклов. Конформационный анализ гетероциклов. Спираны. Дифенилы. Анса-соединения. Циклофаны. Спиральность. Катенаны. Стереохимия соединений азота. Стереохимия комплексов металлов. Четырехкоординационные и шестикоординационные комплексы металлов. Комплексы металлов с координационными числами, иными, чем четыре и шесть [1].

Реакции фотодиссоциации и фотоизомеризации. Классификация и стереохимия фотохимических перициклических реакций. Орбитальная симметрия и фотохимические реакции [2].

Классы фотохромных веществ. Валентная таутомерия. Транс-цис-изомеризация. Фотозамещение. Спиропираны и спироксазины. Хромены и родственные соединения. Фульгиды. Обратимые реакции фотоциклизации и циклоприсоединения. Фотохромные соединения с хромофорами N=N, С=N и С=С. Таутомерные системы на основе нитроарил- (гетарил-) алканов. Пери-арилокси-п-хиноны. Органические фотохромы - аккумуляторы солнечной энергии [2].

Структурные особенности люминофоров. Ароматические углеводороды и их замещенные. Соединения с арилэтиленовыми группами. Соединения с экзоциклической группой С=N. Пятичленные и шестичленные гетероциклические соединения. Фотофлуоресцентные системы [3].

Тема 2. От молекулярной к супрамолекулярной химии

Понятия и язык супрамолекулярной химии. Молекулярное распознавание. Распознавание, информация, комплементарность. Молекулярные рецепторы - принципы дизайна. Сферическое распознавание - криптаты ионов металлов. Тетраэдрическое распознавание макротрициклическими криптандами. Распознавание ионов аммония и родственных ему субстратов. Связывание и распознавание нейтральных молекул. Координационная химия анионов и распознавание анионных субстратов [4].

Тема 3. Молекулы-сорецепторы и множественное распознавание

Биядерные и полиядерные криптаты ионов металлов. Линейное распознавание длины молекул при помощи битопных сорецепторов. Гетеротопные сорецепторы - циклофановые рецепторы, амфифильные рецепторы, большие молекулярные клетки. Множественное распознавание в металлорецепторах. Супрамолекулярная динамика [4].

Тема 4. Процессы переноса и создание носителей

Транспорт при посредничестве носителей. Перенос катионов. Носители катионов. Перенос анионов. Носители анионов. Сопряженные процессы переноса. Электрон-сопряженный перенос в окислительно-восстановительном градиенте. Протон-сопряженный перенос в pH-градиенте. Фотосопряженные процессы переноса. Перенос через трансмембранные каналы [4].

Тема 5. Молекулярные и супрамолекулярные устройства

Молекулярное распознавание, информация, сигналы. Супрамолекулярная фотохимия. Молекулярные и супрамолекулярные фотонные устройства. Преобразование света и устройства передачи энергии. Фоточувствительные молекулярные рецепторы. Фотоиндуцированный перенос электрона в фотоактивных устройствах. Фотоиндуцированные реакции в супрамолекулярных ансамблях. Нелинейные оптические свойства супрамолекулярных ансамблей. Молекулярные и супрамолекулярные электронные устройства. Супрамолекулярная электрохимия. Электропроводящие устройства. Молекулярные провода. Поляризованные молекулярные провода. Выпрямительные устройства. Модифицированные и переключаемые молекулярные провода. Молекулярные магнитные устройства. Молекулярные и супрамолекулярные ионные устройства. Ионно-чувствительные монослои. Молекулярная протоника. Ионные и молекулярные сенсоры. Переключающие устройства. Сигналы и информация. Фотопереключающие устройства. Электропереключающие устройства. Включение ионных и молекулярных процессов. Процессы механического включения/выключения [4].

Тема 6. Молекулярные фотопереключатели и фотопереключаемые устройства на основе краунсодержащих стириловых красителей (КСК)

Строение КСК. Темновое и фотоиндуцированное комплексообразование КСК. Спектральные эффекты и комплексообразование методом ЯМР ¹H. Комплексообразование цис-изомеров бетаинов КСК, образование анион‑”накрытых” комплексов. Самосборка димеров и сэндвичевых комплексов. Катионзависимое [2+2]-автофотоциклоприсоединение транс‑изомеров бетаинов КСК [5].

Тема 7. Самопроцессы - запрограммированные супрамолекулярные наноразмерные системы

Самосборка. Молекулярная сборка “снизу вверх” и “сверху вниз”. Самоорганизация. Запрограммированные супрамолекулярные наноразмерные системы. Самосборка неорганических структур. Самосборка двойных и тройных геликатных комплексов металлов: геликаты. Многокомпонентная самосборка. Супрамолекулярные мотивы ионов металлов. Этажерки, лесенки, решетки. Самосборка органических супрамолекулярных структур. Самосборка за счет водородных связей. Сборка организованных фаз, направляемая молекулярным распознаванием. Супрамолекулярные материалы. Нанохимия [4].

Тема 8. Оптические молекулярные сенсоры на катионы металлов и аммония на основе краун-эфиров

Колориметрические молекулярные сенсоры (КМС): донорно-акцепторные хромоионофоры, протонные хромоионофоры, системы на основе термических реакций изомеризации и перегруппировки, хромогенные металлокомплексные системы. Люминесцентные молекулярные сенсоры (ЛМС). Понятия тушение люминесценции, ЛМС “включающиеся” при комплексообразовании. ЛМС: содержащие спейсер между макроциклическим и люминесцентным фрагментами, донорно-акцепторные ЛМС, металлоорганические люминофоры. Примеры КМС и ЛМС [6].

Тема 9. Строение, физико-химические свойства кавитандов и комплексов на их основе

Молекулы-кавитанды: циклодекстрины, кукурбитурилы и каликсарены. Получение циклодекстринов. Особенности строения, размеры полостей, полярность, дипольный момент, растворимость. Стадии образования комплексов «гость-хозяин». Модифицированные циклодекстрины. Стехиометрия комплексов. Получение кукурбитурилов. Строение, размеры полостей, их особенности. Образование комплексов, их устойчивость. Подтверждение принципа комплементарности. Получение каликсаренов. Изомерия каликсаренов. Топология полости каликсарена. Экстракция катионов металлов [7].

Тема 10. Молекулярные устройства и машины на основе кавитандов

Оптические молекулярные сенсоры на основе монозамещенных производных циклодекстринов. Ротаксановые, псевдоротаксановые и полиротаксановые комплексы – особенности строения. Стратегия направленного синтеза ротаксановых комплексов. Ротаксановые комплексы с основной и боковой цепью. Методы получения ротаксановых комплексов на основе циклодекстринов. Молекулярные трубки. Реакции циклоприсоединения с участием ротаксановых комплексов. Молекулярные машины на основе кавитандов, механическое перемещение. Фотоуправляемые машины (молекулярные челноки, молекулярные логические ворота), pH-управляемые машины (челнок, молекулярный шприц), машины с электрохимическим контролем. Перспективы использования кавитандов [7].

Тема 11. Металлокомплексные люминофоры

Определение люминофоров. Классификация люминофоров по типу возбуждения. Металлокомплексные соединения: комплексные соединения переходных металлов и редкоземельных элементов. Координационные соединения с полимерными лигандами и координационные полимеры. Координационные дендримеры. Координационные соединения металлов с макроциклическими лигандами (металлопорфирины, металлофталоцианины). [8].

Тема 12. Рентгеноструктурный анализ супрамолекулярных архитектур

Основные типы симметрии в молекулах и кристаллах. Строение кристалла (элементарная ячейка и трасляция), типы кристаллографических систем. Рентгеноструктурный анализ, упаковка органических молекул, примеры супрамолекулярных систем [9].

Тема 13. Перспективы

Шаги навстречу возрастающей сложности. Супрамолекулярная химия и биология. Энергетика на основе нанотехнологий. Устройства MEMS и NEMS. Электроника на основе нанотехнологий: интегральные схемы и обработка данных. Достижения нанобиотехнологии. Молекулярные машины, эссемблеры и роботы [10,4,2].

Фотоника наноструктур

(проф.Плотников В.Г.)

1. Линейные и нелинейные оптические характеристики материалов и наноструктур.

(поглощение, пропускание, люминесценция, дисперсия, показатель преломления)

Модели, описания оптических характеристик среды. (линейная и нелинейная поляризуемость, модель ангармонического осциллятора, электронные колебательные и вращательные переходы, процесс поглощения, рассеяния на электронных и колебательных переходах, люминесценции)
Методы линейной оптической спектроскопии.
Методы нелинейной оптической спектроскопии.
Методы генерации лазерного импульсного и непрерывного излучения. Типы лазеров и их основные характеристики.
Сверхкороткие лазерные импульсы.
Особенности прохождения света через фотонные кристаллы. Фотонные запрещенные зоны.
Прохождение излучения через микроструктурированные волокна. Методы формирования оптической дисперсии. Преобразование частоты излучения.