УФ-індуковані ефекти у нематичних рідких кристаллах з домішками стероїдних біомолекул

Визначити вплив хіральних домішок на зміну температури фазових переходів вибраних нематичних рідких кристалів. Дослідити залежність кроку спіралі від концентрації фоточутливих стероїдних домішок.

Дослідити вплив штучної та природної УФ радіації на оптичні характеристики індукованих холестеричних РК та встановити зв’язок із утворенням превітаміну Д при різних дозах сонячного УФ опромінення.

Вивчити вплив рідкокристалічного середовища на фотоізомеризацію провітаміну Д порівняно з ізотропними розчинниками.

Дослідити фотоорієнтаційні властивості тонких плівок на основі ізомерів вітаміну Д та споріднених сполук та визначити енергію зчеплення молекул рідкого кристалу із поверхнею фотоорієнтуючої підкладки.

Дослідити електрооптичні ефекти у нематичних рідких кристалах, орієнтованих адсорбованими стероїдними біомолекулами.

Об'єктом дослідження є прозорі в УФБ спектральній області нематичні РК (ЖК-805 та ZLI-1695) з домішками семи стероїдних молекул (холестерин, бензоат холестерину, 7-дегідрохолестерин (провітамін Д3), бензоат 7-дегідрохолестерину, ергостерин (провітамін Д2), люмістерин та ергокальціферол (вітамін Д2) та різні типи фотоорієнтуючих плівок на їх основі (полімерні, адсорбовані та ленгмюрівські плівки).

Предмет дослідження – оптичні характеристики індукованої холестеричної фази при використанні різноманітних стероїдних біомолекул, динаміка утворення холестеричної спіралі у процесі їх розчинення та вплив УФ випромінювання різного спектрального складу; мономолекулярна фотоізомеризація стероїдних біомолекул в рідкокристалічному середовищі; фотоорієнтаційні ефекти молекул РК з використанням полімерних, адсорбованих та плівок Ленгмюра-Блоджетт на основі вищезгаданих стероїдів та електрооптичні ефекти РК комірок із підкладками адсорбованих молекул.

Застосовано такі методи дослідження, як: поляризаційна мікроскопія – для ідентифікації текстур рідких кристалів та спостережень за динамікою наведення холестеричної фази під час розчинення кристалів стероїдів в нематичному РК; метод Кано-Гранжана (метод клину) – для визначення кроку та знаку індукованої холестеричної спіралі та ефектів УФ опромінення; абсорбційна УФ спекроскопія – для спостереження спектральної кінетики фотоперетворень біостероїдів; атомно-силова мікроскопія (АСМ) – для виявлення впливу УФ опромінення на мікрорельєф полімерних плівок; метод вимірювання твіст-кута в комбінованих РК комірках – для визначення енергії зчеплення між молекулами РК та орієнтуючої поверхні підкладки; інтерференційний метод – для визначення товщини комірок; вимірювання пропускання рідкокристалічних комірок при різноманітних напругах – для вивчення електрооптичних ефектів; вимірювання посадочної площі адсорбованої молекули (площа, яку займає одна молекула в моношарі) при нанесенні плівок Ленгмюра-Блоджетт – для оцінки орієнтації адсорбованих молекул стероїдів на твердій підкладці.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що:

Вперше одержано індуковану холестеричну фазу в нематичних рідких кристалах за допомогою домішок стероїдних біомолекул (ізомерів вітаміну Д та споріднених сполук), визначено їх закручуючу здатність та знак холестеричної спіралі.

Виявлено новий ефект обертання кристалів стероїдів при їх розчиненні у краплині нематичного РК та встановлено кореляцію між напрямком обертання та знаком індукованої холестеричної спіралі. Цей ефект дозволяє запропонувати новий експресний метод визначення знаку індукованої холестеричної спіралі.

При дослідженні впливу УФ радіації на оптичні властивості допованих РК вперше встановлено однозначний зв’язок між зменшенням кількості зон Кано-Гранжана та утворенням превітаміну Д (in vitro) при сонячному опроміненні.

Вперше досліджено УФ індуковану фотоізомеризацію провітамінів Д в рідкокристалічній фазі та виявлено суттєвий вплив РК мікросередовища на механізм цис-транс ізомеризації превітаміну Д.

Вперше виявлено ефект орієнтації нематичних РК плівками стероїдних біомолекул (адсорбованими, полімерними та ленгмюрівськими) та досліджено вплив лінійно поляризованого УФ опромінення на їх орієнтуючу здатність.

Вперше для адсорбованих плівок 7-ДГХ досліджено електрооптичні ефекти в нематичних РК із додатною і від’ємною діелектричною анізотропією та виявлено суттєву залежність пропускання РК комірки від напруги прикладеного електричного поля.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

Запропоновано оригінальний і простий метод реєстрації поглинутої біологічно активної УФБ радіації, який полягає у зменшенні кількості смуг Кано-Гранжана внаслідок фотоперетворення провітаміну Д3 у нематичному РК, що є основою для створення персонального УФБ біодозиметра.

Запропоновано нетрадиційне використання біомолекул стероїдів для актуального в останні роки безконтактного методу фотоорієнтації молекул РК, який є важливим в технології виробництва різноманітних рідкокристалічних пристроїв.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні всіх експериментальних досліджень та участі у обговоренні результатів.

Всі спектральні та мікроскопічні дослідження щодо залежності кроку індукованої холестеричної спіралі від концентрації стероїдних домішок, впливу штучної та природної УФБ радіації на холестеричну фазу, індуковану біомолекулами стероїдів, проведено самостійно. Ефекти впливу окисних процесів на крок спіралі індукованої холестеричної фази досліджено спільно з А. Г. Дядюшею (відділ фізики кристалів) та К. М. Сальковою (відділ оптичної квантової електроніки).

Самостійно проведено експерименти по фотоорієнтації (отримано композитну плівку на основі полімеру поліметилметакрилату (ПММА), допованого фоточутливими молекулами провітаміну Д3, визначено величини твіст-кута в комбінованих рідкокристалічних комірках залежно від концентрації фоточутливих стероїдів та часу опромінення). Дослідження мікрорельєфу допованих полімерних плівок за допомогою атомно-силового мікроскопа (АСМ) проводилось в Інституті фізики напівпровідників НАН України.

Самостійно проведено експерименти з орієнтації та фотоорієнтації нематичних рідких кристалів адсорбованими шарами біомолекул стероїдів та досліджено вплив постійного електричного поля. Виходячи із проведених експериментів з орієнтації адсорбованими шарами, разом із науковим керівником запропоновано використання методики Ленгмюра-Блоджетт для отримання однорідних орієнтуючих покриттів на основі біомолекул стероїдів, дослідження яких проводилось в Інституті фізики напівпровідників НАН України.

Постановку задачі та інтерпретацію отриманих результатів проведено у творчому співробітництві із науковим керівником та співавторами наукових праць.