Ученые разработали эффективную стратегию защиты глаз от лазерного излучения

Российские ученые предложили новую стратегию создания поглотителей света для защиты глаз от поражения лазерным излучением. Авторы установили взаимосвязь между взаимодействием молекул красителя друг с другом и эффективностью оптического ограничителя. Установленная зависимость позволит разработать «идеальный» оптический ограничитель, удовлетворяющий запросам потребителя. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в New Journal of Chemistry.

Плоские молекулы, в составе которых есть несколько ароматических циклов (колец из атомов углерода), соединенных между собой атомами азота, называют фталоцианинами. Соединения фталоцианинов с переходными металлами, такими как медь или цинк, используют в качестве красителей и пигментов. Фталоцианины используются в микроэлектронике, например, для создания светофильтров и устройств обработки сигналов. Но применение фталоцианинов затруднено из-за их агрегации — процесса, при котором отдельные молекулы хаотично слипаются друг с другом. При этом агрегация зависит от концентрации красителя, а также от металла и других углеводородных фрагментов, которые входят в состав комплекса. Следовательно, можно контролировать оптические свойства фталоцианинов — например, степень поглощения света, — меняя их строение.

Ученые из Института физиологически активных веществ ФИЦ Проблем химической физики РАН (Черноголовка), Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Москва) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) синтезировали фталоцианины и комплексы меди, магния, цинка, кобальта и никеля на их основе. Ученые проанализировали красители и отсортировали их по способности ограничивать интенсивность лазерного излучения на длине волны 532 нм.

Авторы установили взаимосвязь степени поглощения света фталоцианинами с пороговыми концентрациями, отвечающими за формирование агрегатов в растворах. Сперва ученые, сравнив линейную и нелинейную функции, предложили метод определения той концентрации, при которой начинается агрегация молекул фталоцианинов. Когда запускается этот процесс, поглощение света раствором снижается.

Затем исследователи выяснили назначение второй точки, после которой «слипание» молекул становится неуправляемым. При этом природа металла-комплексообразователя оказывает существенное влияние на нелинейные оптические свойства красителей в рамках агрегации, и в случае лиганда наблюдается минимальное влияние агрегации на величину эффективности оптического ограничения. Предложенные авторами расчеты учитывали нелинейную зависимость между концентрацией комплексов и поглощением света, что позволило сопоставить теоретические расчеты с результатами экспериментов и вывести новую величину: фактор спектральной нелинейности поглощающего материала, оценка которого позволит создавать эффективную защиту от лазерного излучения.

«Мы описали новую стратегию создания оптических материалов для устройств, поглощающих опасное для глаз лазерное излучение. Модифицирование химической структуры активных компонентов таких защитных приборов позволяет точно настраивать их оптические свойства под конкретную задачу. Совокупность экспериментальных и теоретических исследований с применением высокопроизводительных численных алгоритмов для поиска взаимосвязей между структурой и свойствами поглощающих материалов позволит улучшать качество оптических ограничителей в будущем», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Толбин, профессор РАН, доктор химических наук, главный научный сотрудник Института физиологически активных веществ Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН.