Cooperativity in duty of chiroptoelectronics: functional supramolecular polymers on surfaces as electro- and photoactive chiral materials
Kooperatywność w służbie chiro-optoelektroniki: funkcjonalne polimery supramolekularne na powierzchniach dla chiralnych materiałów elektro- i fotoaktywnych
Project type: Research and development
Keywords: polimery supramolekularne cienkie warstwy elektronika organiczna chiroptyka fizykochemia powierzchni
Keywords (english): supramolecular polymers thin films organic electronics chiroptics surface physico-chemistry
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 16/09/2022 - 15/09/2025
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: Sonata
Project manager: Piotr Ślęczkowski
Funding value: 1 794 010,00 PLN
Total project value: 1 794 010,00 PLN
Naśladowanie natury, a zatem czerpanie z (bio)materii której cechy i determinujące je funkcje ewoluowały miliony lat, to jedna z najefektywniejszych strategii badań nad nowymi materiałami syntetycznymi. Nierozerwalną własnością związaną z biomateriałami jest ich chiralność, która to w najprostszym ujęciu jest własnością geometryczną obiektu równoznaczną z tym, że jest on nienakładalny na swoje odbicie lustrzane. Obrazowym przykładem chiralnych obiektów są helisy, tworzone np. przez (bio)polimery, czyli złożone makrocząsteczki budujące organizmy żywe takie jak białka czy DNA. Każda helisa posiada dwa parametry geometryczne, skrętność i skok, które w układach biologicznych lub syntetycznych o cechach materii miękkiej, mogą być modulowane bodźcami zewnętrznymi, takimi jak temperatura, pH czy wpływ rozpuszczalnika. Jednym z alternatywnych bodźców jest światło, czyli strumień energii, które oddziałuje z chiralną materią w sposób selektywny. Helisa odbija część promieniowania, którego cechy są wypadkową wartości jej skoku oraz prawo- lub lewoskrętności. CEL: Celem projektu jest zrozumienie wpływu oddziaływań podłoża o różnej energii powierzchniowej na morfologię i właściwości helikalnych polimerów supramolekularnych, oraz zweryfikowanie czy cechy strukturalne wytworzonych na powierzchni nanostruktur polimerowych mogą generować wzmocnione efekty transportu ładunków lub oddziaływania ze światłem, dodatkowo promowane przez orientację 1D nanostruktur. PLAN BADAŃ: W celu zweryfikowania postawionych hipotez, zrealizowane zostaną trzy zadania badawcze: (1) opracowanie efektywnych metod nanoszenia zorientowanych nanostruktur polimerowych na powierzchnie, (2) opracowanie komplementarnej metodologii badań morfologii (w nano- i mikroskali) oraz własności optycznych nanostruktur powierzchniowych, oraz (3) wytworzenie i charakteryzacja urządzeń fotoaktywnych na bazie zoptymalizowanych nanomateriałów czułych na światło. ZNACZENIE: Zrozumienie procesów ekspresji chiralności na granicy pomiędzy materiałem chiralnym, a powierzchnią (ciałem stałym) jest niezwykle istotne z punktu widzenia projektowania chiralnych powierzchni, czyli takich które mogą np. selektywnie adsorbować jeden z enancjomerów zsyntezowanego leku. Uzyskanie wiedzy na temat projektowania polimerów supramolekularnych, których helikalna struktura (po zaadsorbowaniu na powierzchni) będzie znana jeszcze przed ich naniesieniem, powinno prowadzić do wytworzenia nowej klasy materiałów inteligentnych. Wiedza ta umożliwi chemikom projektowanie funkcjonalnych nanostruktur polimerowych, które oprócz własności sensorycznych, związanych z chiro-selektywnym oddziaływaniem ze światłem, będą posiadały cechy nierozłącznie związane z dynamicznymi układami polimerów supramolekularnych, czyli czułość na bodźce.
Mimicking Nature, so taking inspiration from the (bio)matter which properties and resulting functions were evolving for millions of years, is one of the most effective strategies of research in materials science. Chirality is an inherent property of biomaterials, which in the simplest meaning states that the object is non-superimposable on its mirror image. Helices are great examples of chiral objects, which are created e.g. by biopolymers, complex macromolecules constituing living organisms, like proteins or DNA. Each helix possess two geometrical parameters, namely the twist (together with its chiral handedness) and the pitch of the helix, which in biological or synthetic soft matter systems, may be modulated by the external stimuli, like temperature, pH or the solvent effects. Light, i.e. the flux of energy, is an alternative stimulus. Itselectively interacts with chiral matter, in a sense that the helix reflects only part of the radiation. The properties of the reflected light are determined by the pitch of the helix and the clockwise or counterclockwise sense of the helix twist. GOAL: The aim of the project lies in the understanding of the influence of the surface (bearing different surface energy), on the morphology and properties of helical supramolecular polymers. The goal is to verify if the structural features of the polymer nanostructures deposited on surface are capable to improve charge transport properties, or to generate enhanced interactions with light, further copromoted by the 1D orientation of nanostructures. RESEARCH PLAN: In order to verify the hypotheses posted in the project, three research tasks will be realized: (1) development of the effective deposition methods of unidirectionally oriented polymer nanostructures onto solid substrates, (2) development of the complementary methodology of the analysis of the morphology (in micro and nano-scale) and the optical properties of the surface nanostructures, and (3) fabrication and characterization of the photoactive devices comprising the optimized chiral light-sensitive nanomaterials. SIGNIFICANCE: Understanding of the processess behind the expression of chirality at the interface between the chiral material and the solid substrate is crucial from the point of view of realizing chiral surfaces, which are capable e.g. to selectively adsorb one of the enantiomers of the drug. Gaining knowledge about design of the supramolecular polymers, which helical on-surface structure will be known before their deposition on the surface, will lead to the development of a new class of smart materials. It will enable the polymer chemiststo design the functional polymeric nanostructures, which besides their sensing properties connected with the chirality-selective interaction with light, will additionally possess another desirable features. These additional features are inherent to the dynamic systems like supramolecular polymers, and represent responsiveness for stimuli.
Go back