Физики МГУ им. Ломоносова ставят поведение молекул под контроль

На Физическом факультете МГУ им. Ломоносова работает уникальная «Лаборатория молекулярного рассеивания света». Основной инструмент исследований - сложнейшая измерительная установка динамического светорассеяния. Таких установок в мире единицы.

Установка динамического светорассеяния, несмотря на скромные размеры, очень точный и чувствительный прибор. Таких установок в мире немного. И потому, что она дорогая, и потому, что нужна только в самых современных научных центрах молекулярных исследований, где есть ученые, способные с ней работать.

Что, собственно изучают в Лаборатории молекулярного рассеивания света? Чтобы пояснить объект исследований совсем просто, сотрудники лаборатории предлагают нам взглянуть на облака. Свет на разных мелких объектах рассеивается по-разному. Мы видим облака белыми, если они состоят из очень маленьких капель воды, если же капли крупные, то облака видятся нам тёмными, и мы знаем, что вот-вот пойдёт дождь.

Исследования мелких объектов в воздухе либо в жидкостях методами рассеивания начались ещё в 20-х годах прошлого века, тогда были разработаны основные теории, описывающие рассеивание света. Задачу рассеивания можно разделить как бы на 2 класса задач - рассеивание без смещения частоты, в этом случае измеряется зависимость интенсивности рассеивания от угла между падающим и рассеянным светом, его ещё называют статическим светорассеиванием. Если же объект движется, то частота рассеянного света смещается и мы видим уширенный спектр (вспомним эффект Доплера). Когда появились лазеры, они сразу же они были использованы для изучения рассеивания в жидкостях, газах, твердых телах. Использование когерентного излучения открыло перед учёными целый ряд новых возможностей. При изучении спектра рассеянного света, можно многое узнать о и движении объекта.

В самом простом случае, если изучаемые объекты представляют собой шарики или клубки полимерных молекул, можно вычислить радиус этого клубка или частицы, например фуллерена. Но представим себе более сложный объект исследования. При увеличении концентрации клубки полимерных молекул начинают цепляться друг за друга, а потом образуют сетку - это так называемая мода движения. Когда этих мод становится много, спектр рассеянного света становится сложным. Таким образом, наблюдая за изменением спектра, учёные фактически наблюдают за образованием полимерной сетки.

Подобные исследования очень важны, например, для создания технологии пленочных солнечных батарей. Полимерные устройства и плёнки, которые можно использовать для солнечной батареи, были бы очень удобными, потому что они гибкие и дешёвые. В них полимер используется, как матрица, в которую встраиваются молекулы, поглощающие солнечное излучение и преобразующие его в электричество. Но каким образом войдёт вещество-поглотитель в эту полимерную матрицу, вовсе небезразлично. Будет ли оно равномерно распределено? Или некими агрегатами? Как вообще эта система работает? Ответы на эти вопросы учёные ищут с помощью установки динамического светорассеяния.

Этот метод исследований незаменим, и в том случае, когда нужно исследовать молекулы в растворе. Иные методы исследования молекул, например атомно-силовая микроскопия, требуют «высадить» молекулу на подложку, но крупные молекулы, такие как белки или ДНК, в этом случае деформируется, и результат оказывается не вполне корректным. Установка динамического светорассеяния позволяет подобные исследования с исключительной точностью.