Mgr Klaudia Radula



Promotor: dr hab. Teobald Kupka

Badania teoretyczne, spektroskopowe i krystalograficzne pochodnych karbazoli jako prekursorów polimerów o ciekawych właściwościach optycznych i elektrycznych

Słowa kluczowe: karbazol; nanokompozyty; nanocząstki srebra; polimery przewodzące; baterie słoneczne

Cele projektu

Polimery są szeroko wykorzystane w elektrochemii i elektronice. Ich wadą jest ciężar, niska wytrzymałość mechaniczna i brak przewodnictwa elektrycznego. Rozwiązaniem mogą być nowe polimery przewodzące, a w szczególności polimery zawierające w swojej strukturze karbazol. Przełomowym momentem w badaniach tych związków było odkrycie fotoprzewodnictwa poli(N-winylokarbazolu) [1,2], jednak zainteresowanie polimerami zawierającymi karbazol [3] jest głównie związane z odkryciem diod polimerowych emitujących światło [4] oraz odkryciem fotorefrakcyjnych materiałów organicznych [5]. Badania tych materiałów wskazują na bardzo ważną rolę polimerów zawierających karbazol w nowoczesnej technologii materiałów elektronicznych i elektrooptycznych. Oprócz elektrofotograficznych fotoreceptorów [6], diod świecących, fotorefrakcyjnych materiałów, polimery te badane są jako elementy urządzeń fotowoltaicznych [7]. Polimery oparte na karbazolu są bardzo atrakcyjne jako fotoprzewodniki oraz materiały służące do przeniesienia ładunku z następujących powodów:

  • Grupa karbazolowa łatwo tworzy stosunkowo stabilne rodniki kationowe;

  • Niektóre związki zawierające karbazol wykazują stosunkowo wysoką ruchliwość nośników ładunku;

  • Różne podstawniki mogą być łatwo wprowadzane do pierścienia karbazolowego;

  • Związki zawierające karbazol wykazują wysoką stabilność termiczną i fotochemiczną;

  • Karbazol jest surowcem tanim i łatwo dostępnym z destylacji smoły węglowej.

Celem projektu są badania teoretyczne i eksperymentalne (spektroskopowe
i rentgenostrukturalne) pochodnych karbazoli. Wyznaczenie i ocena właściwości elektronowych (energia HOMO i LUMO, energia pasma wzbronionego) polimerów zawierających karbazol może okazać się niezawodnym narzędziem badań, głównie diod elektroluminescencyjnych, ponieważ wydajność kwantowa elektroluminescencji zależy od energii poziomów energetycznych HOMO i LUMO oraz energii pasma wzbronionego. Tego rodzaju obliczenia teoretyczne w połączeniu z danymi eksperymentalnymi mogą być stosowane do projektowania nowych polimerów wykorzystywanych w elektronice. Pokrycie nanocząstek srebra [8] polikarbazolami może stanowić przełom w zwiększeniu wydajności procesu zamiany światła słonecznego w energię elektryczną (tzw. uzyskiwanie energii przyjaznej środowisku w obliczu światowego kryzysu energetycznego). W aktualnej literaturze przedmiotu brak prac dotyczących badań układów w nanoskali z zastosowaniem techniki NMR. Proponowane badania pozwolą w lepszym stopniu wykorzystać potencjał tkwiący w tej technice badawczej, dodatkowo wspartej modelowaniem molekularnym.

Planowane metody i narzędzia badawcze

W celu przeprowadzenia modelowania molekularnego wybranych nanokompozytów przewiduje się wykorzystanie specjalistycznego oprogramowania (HyperChem, Gaussian09, GaussView05, Dalton, Cfour, Gamess, ADF) dostępnego w kilku krajowych ośrodkach superkomputerowych (m. in. WCSS Wrocław i Cyfronet Kraków).

Synteza i oczyszczanie wybranych układów molekularnych i materiałów zostanie wykonana w ścisłej współpracy z szeregiem krajowych i zagranicznych ośrodków naukowych.

Ponadto planowana jest pełna charakterystyka mikroskopowa, rentgenowska
i spektroskopowa (IR/Raman, UV-VIS, NMR, przewodnictwo) monomerów i polikarbazoli oraz ich powłok na nanocząstkach srebra.

Wpływ realizacji projektu na wzrost innowacyjności gospodarki regionu poprzez zintensyfikowanie powiązań między nauką i przemysłem, w tym określenie możliwości zastosowania wyników badań w konkretnym sektorze bądź przedsiębiorstwie Proponowany projekt umożliwi:

  1. Wszechstronne wykształcenie wysokiej klasy specjalisty z zakresu nanotechnologii
    i modelowania molekularnego (aktualnie brak szeroko pojętych prac naukowych
    z zakresu nanotechnologii z ośrodków naukowych i przemysłowych Opola
    i Opolszczyzny).

  2. Zaprojektowanie i wstępne wdrażanie nowych materiałów przydatnych w gospodarce XXI wieku.:

  • Polimerów przewodzących i emitujących światło

  • Układów do zamiany energii słonecznej na elektryczną

Proponowany projekt może w znacznym stopniu przyczynić się do wzrostu atrakcyjności inwestycyjnej i zwiększenia potencjału naukowo-gospodarczego województwa Opolskiego. Szerokie zainteresowanie proponowanym projektem jest również wyrażane przez przedstawicieli najwiekszych zakładów chemicznych w naszym regionie (ZAK Kędzierzyn). W tym zakresie Opolszczyzna może znowu (po latach kryzysu i zapaści w przemyśle chemicznym) stać się znaczącym centrum przemysłu chemicznego w kraju, Europie
i w świecie.

Literatura

  1. Hoegl H., Süs O., Neugebauer W., Ger Offen, 106 8115.

  2. Hoegl H., J. Phys. Chem., 69, 755 (1965).

  3. T. Kupka, G. Pasterna, M. Jaworska, A. Karali, P. Dais, Magn. Reson. Chem., 38,
    149-155 (2000).

  4. Burroughes J.H., Bradley D.D.C., Brown A.R., Marks R.N., MacKay K., Friend R.H., Burn P.L., Holmes A.B., Nature, 347, 539 (1990).

  5. Meerholz K., Volodin L.B., Sandalphon, Kippelen B., Peyghambarian N., Nature, 71,
    497 (1994).

  6. Wang Y., Kroschwitz J., Howe-Grant M., 4th ed. Kirk–Othmer Encyclopedia of

Chemical Technology, New York, Wiley, 837 (1996).

  1. Wang G., Qian S., Xu J., Wang W., Liu X., Lu X., Li F., Physica, Part B; 279,
    116 (2000).

  2. S. K. Gray, T. Kupka, Phys. Rev. B, 68, 454151-4541511 (2003).





dol