Томским ученым первым удалось провести процесс полимеризации — синтеза полимеров — при комнатной температуре под действием света, хотя обычно этот процесс протекает при высоких температурах. В качестве «спускового крючка» для нового типа реакций они использовали поверхностный плазмон-поляритон. Новую концепцию полимеризации исследователи уже опробовали в лаборатории на примере синтеза «умных» или функциональных полимеров, свойства которых можно буквально программировать на стадии создания.

Традиционно синтез полимеров протекает при температурах около 150 градусов Цельсия. С одной стороны, это влечет за собой энергетические затраты, с другой — далеко не все полимеры с интересными свойствами и нужного качества можно получать при таких условиях. Для преодоления этих вызовов исследователи решили использовать частицу плазмон-поляритон. Он возникает вблизи поверхности твердых тел из-за колебаний электронов, преобразует световую энергию и благодаря этому свойству запускает полимеризацию.
«Эти частицы позволяют делать то, что раньше было просто невозможно. В данном случае — проводить реакции при комнатной температуре под действием света — лазера или просто солнечного света. В опубликованной статье мы первыми продемонстрировали такую возможность проведения контролируемой полимеризации типа NMP (nitroxide-mediated polymerization). Однако точный механизм действия плазмон-поляритонов пока неизвестен. Это следующий вызов и для нашего научного коллектива, и для других ученых», — отмечает Павел Постников.
В своих исследованиях ученые синтезировали полимеры на поверхности тонких золотых пластинок — их максимальная толщина 20 нанометров. Поверхность пластинок имеет волнообразную структуру. Благодаря этой структуре пластинка эффективно возбуждает плазмон-поляритон. В качестве катализатора исследователи «подсадили» на пластинку молекулы алкокси амина, а в качестве строительного материала использовали мономер NIPAM (N-изопропилакриламид). Затем на эту пластинку направляли лазер или использовали естественный солнечный свет — эксперименты проводились на открытом воздухе в солнечный день. Под действием света из мономера синтезировалась целая цепочка полимера PNIPAM. А после на этой цепочку из мономера вырастили второй полимер — pVBA (полимер на основе 4-винилбензолбороновой кислоты).
Оба эти полимера относятся к классу функциональных, то есть они обладают определенными свойствами, которые человек может задавать и использовать.
«Интересно, что под действием солнечного света синтез проходил ничуть не хуже, чем под воздействием лазера — говорит Павел Постников. — При этом полученная конструкция из золотой пластинки и функционального полимера на ее поверхности сама может быть очень чувствительным сенсором. В статье приведены результаты экспериментов, в которых с помощью такого сенсора мы улавливали из модельных растворов различные биологические маркеры. Сенсор получился очень чувствительным, он улавливал нужное вещество буквально в следовом количестве».
Сейчас ученые представили результаты в масштабах лаборатории. Но в отдаленной перспективе открытые процессы могут сделать производство полимеров более энергоэффективным, помочь ученым создать новые полимеры с полезными свойствами и суперчувствительные сенсоры для биологических исследований.