Лекция 7. Микро-, мезо - и «нано»пористые материалы (стр. 12 )

7.36 Время маркировки в мезоструктурированном оскиде кремния: новый подход для оптического хранения данных

Такие свойства мезопористого оксида кремния, как способность формировать пленки высокого оптического качества и возможность создания на его основе различных видов нанокомпозитов “гость”-“хозяин”, были объединены с целью создания нового материала для оптического хранения данных. В отличие от аналогичных материалов данный материал предлагает возможность увеличения емкости хранения информации благодаря использованию цифрового формата с многобитовым представлением одной ячейки памяти.

Этот подход основан на изменении цвета pH-чувствительного красителя, фоточувствительность которого обусловлена присутствием протонов, десорбированных из фотокислотного генератора (ФКГ), оба из которых помещены в ограниченное пространство пор мезопористого оксида кремния, полученного с использованием триблок-сополимера в качестве темплата196. Отличительной особенностью данного метода хранения информации по сравнению с CD и DVD является то, что поглощение (пропускание или флюоресценция), полученные для протонированного красителя, находящегося в композитной пленке мезопористого оксида кремния, является функцией времени (интенсивности) освещения. Этот уникальное свойство дает возможность многократного чтения информации, записанной один раз в многобитовое место в оптической памяти, где нули и единицы в цифровом коде могут быть связаны с регистрацией изменения в поглощении красителя для отдельного времени или интенсивности освещения.

Типичный пример, показывающий возможность контролировать изменение цвета пары ФКГ-краситель, внедренной в мезоструктурированную пленку, при помощи света показан в верхней части рисунка 7.47. На рисунке представлен пример цифрового изображения, хранящегося в композитной пленке мезоструктурированного оксида кремния. Иллюстрация способа, с помощью которого время освещения и связанное с ним изменение цвета фотопротонированного красителя могут быть использованы для хранения битов цифровой информации, изображена в нижней части рисунка. Из него следует, что четыре цикла записи увеличивают в четыре раза величину поглощения протонированного красителя, что при оптическом чтении будет соответствовать двоичным кодам 00, 01, 10, 11.

Рис. 7.47. Цифровое изображение, хранящееся в композитной пленке на основе мезоструктурированого оксида кремния, в сантиметровом (слева) и микронном (справа) масштабе. Нижний график демонстрирует спектры поглощения материала, измеренные после различных времен облучения196

Емкость хранения информации в мезоструктурированных нанокомпозитных пленках оксида кремния может, впринципе, быть увеличена путем уменьшения размера точки освещения лазера и использовании того факта, что плотность информационного масштаба равна 2n, где n – номер битового представления места. Этот новый класс материалов оптического хранения данных может быть синтезирован путем одностадийной самосборки всех указанных выше компонентов, что делает производство пленок довольно простым и прибыльным. Это важное преимущество по сравнению с другими системами оптического хранения данных, основанными, например, на голографическом или многослойном 3D хранении, которые трудно создать главным образом, потому что идеальный материал для этих систем еще не получен.

7.37 Гибриды с упорядоченной структурой на основе мезопористого оксида кремния и полимеров

Полимеры играют все более важную роль как для использования в качестве темплата при синтезе упорядоченных мезопористых неорганических материалов, так и для контроля структуры, свойств и функционирования этих материалов. Для примера рассмотрим четыре случая.

Первый случай касается три - и диблок-сополимеров, в состав которых входят молекулы окида этилена и пропилена, которые могут формировать мицеллы или жидкие кристаллы, как было указанно выше, и, следовательно, могут быть использованы в качестве темплата при синтезе мезопористых материалов из различных неорганических прекурсоров. В случае оксида кремния это приводит к формированию упорядоченной структуры, в полостях пор которой находится полимерный темплат – “гость”. Данные гибриды “мезопористый оксид кремния –полимер” будут обладать свойствами мембраны с избирательной проницаемостью, а после пропитки солями лития могут применяться в качестве твердого электролита в литиевой батарее.

Второй случай касается синтезированного гибрида “мезопористый оксид кремния-полимер”, из которого был удален полимерный темплат с использованием одного из описанных выше методов, и затем введен в поры другой полимер. Эта процедура может быть реализована либо путем полимеризации мономера в порах, либо путем прямого введения полимера в поры из раствора или расплава. В этом случае может быть синтезировано бесконечное число гибридов “мезопористый оксид кремния-полимер”, и их электрические и механические свойства можно контролировать путем выбора определенного полимера197,198.

При рассмотрении третьего случая учитывают тот факт, что мезопористый оксид кремния (“хозяин”) является мезоматрицей, после растворения которой в разбавленной фтороводородной кислоте могут быть получены полимерные нанопалочки для широкого диапазона применений199,200. В случае использования мезопористого материала в качестве наношаблона, через который продавливают полимер, могут быть получены полимерные нановолокна201.

Четвертая ситуация касается использования поверхностно-активного вещества в качестве темплата при синтезе упорядоченного мезопористого гибрида “мезопористый оксид кремния-полиэлектролит”, в котором полиэлектролит внедрен в стенки пор мезопористого оксида кремния202. Этот случай проиллюстрирован на рис. 7.48. В качестве темплата могут быть использованы катионные акрилаты и анионные полистериновые сульфонаты, в результате получают материал, в стенках пор которого содержатся кислотные центры. Подобный материал может быть использован в органических каталитических превращениях, для создания новых протон-проводящих мембран для водородно-кислородных топливных элементов, электролитов для батарей и электрохромных устройств. Также представляется возможным реализация послойной электростатической самосборки таких гибридов (см. главу 3) для контороля размеров, формы и свойств поверхности мезопор и, следовательно, электрических, оптических и механических свойств материала.

Рис. 7.48. Полиэлектролиты могут быть внедрены в стенки пор МОК, благодаря чему он приобретает новые свойства 202

7.38 Мезохимия - синтез “промежуточных” размерностей

Цель этого раздела - информировать об основных физико-химических принципах дизайна, на которых основан темплатный синтез неорганических мезопористых материалов со специфической структурой, составом и формой, и понять, как свойства материалов этого размера могут быть использованы для выполнения определенной функции, которая требуется для специфической области использования. Из приведенных примеров должно быть ясно, что поверхностно-активное вещество и блок-сополимерные темплаты дают возможность морфосинтеза, или синтеза формы мезоструктурированных материалов с однозначно искривленной формой пор и поверхностью требуемой морфологии. Эта форма пор и поверхности отличается от типичных форм для материалов, структурированных в микромасштабе, которые чаще всего имеют форму платоновых тел.

Специфическая форма поверхности формируется за счет присутствия топологических дефектов в “зародышах инорганотропных жидких кристаллов” формируемых в процессе роста и нуклеации в присутствии темплата.

Условия синтеза могут быть использованы для контроля структуры материала, содержащего мезоструктуру, в результате чего может быть синтезирован как стеклообразный, так и кристаллический материал. Химические и физические свойства мезоструктуры могут быть заданы путем включения специфических “гостей” в пространство поры или внедрением органических функциональных групп либо на внутреннею поверхность пор, либо в их стенки. Эта возможность позволяет говорить химических превращениях в порах, химии пор и возможности контроля физических свойств путем направленных химических превращений. Подбор характеристического размера темплатной мезофазы к характерным размерам на границе раздела при росте, например, воздух-жидкость, жидкость-жидкость и жидкость-твердое, называется мезоэпитаксией, и может быть использован как инструмент синтеза для варьирования и контроля ориентации мезоструктурированной пленки. Этот подход может быть реализован путем мягкой литографии, микроформовки, фотолитографии или микропечати для требуемых областей применения, включающих батереи, электроды для топливных элементов и солнечных батарей, сенсоров и средств химической доставки, защитных оболочек и звукоизоляции низкочастотной микроэлектроники, мембран с избирательной проницаемостью и носителей для катализаторов.

В классификации химии материалов неорганические материалы, структурированные в мезомасштабе, представляют промежуточную форму материи с уникальными свойствами. Мезоматериалы, описанные в этой главе, могут стать основанием для создания новой мезонауки и мезотехнологии. Наблюдение за развитием этой области в предстоящие годы будет весьма интересным.

Список литературы

1. M. E. Davis, Ordered porous materials for emerging applications, Nature, 2002, 417, 813.

2. C. I. Brinker, Porous inorganic materials. Curr. Opin. Solid Slate Mater. ScL. 19, 1, 798.

3. A. Falciatore and C. Bowler, Revealing the molecular secrets of marine diatoms, Annu. Rev. Plant Bioi, 2002, 53, 109.

4. T. Armbruster and M. E. Gunter, Crystal structures of natural zeolites. Rev. Miner. Geochem. 2001, 45, 1.

5. E. Passaglia and R. A. Sheppard, The crystal chemistry of zeolites, Rev. Miner. Geochem., 2001, 45, 69.