Vibrační spektroskopie

Metody vibrační spektroskopie v polymerní vědě poskytují informace o složení polymerních směsí, molekulární struktuře, konformacích a intra- a intermolekulárních interakcích makromolekul. Jako vibrace molekul označujeme periodické změny délek vazeb mezi atomy v molekulách a periodické změny úhlů mezi nimi; energie těchto vibračních módů jsou kvantované a při absorpci záření vhodné vlnové délky dochází ke změně vibračního stavu molekuly. Díky interakci elektromagnetického záření se studovanými látkami tak získáváme vibrační spektra poskytující informaci o struktuře molekul.

Podstatou infračervené spektroskopie je absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem, při níž dochází ke změnám rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na změně dipólového momentu molekuly. Ramanova spektroskopie je založena na neelastickém rozptylu monochromatického záření, jehož zdrojem je většinou laser emitující ve viditelné či blízké infračervené oblasti.

Oddělení vibrační spektroskopie se soustředí na analýzy látek pokročilými metodami Ramanovské a infračervené spektroskopie jako je rezonanční a povrchem zesílená Ramanovská spektroskopie, mikrospektroskopie, kombinace elektrochemických metod a spektroskopie – elektrospektroskopie, sledování chemických dějů v reálném čase, sledování jevů v závislosti na teplotních změnách. Tyto techniky jsou často kombinovány s teoretickým modelováním těch to jevů pomocí kvantově chemických výpočtů.  Moderní vybavení laboratoří umožňuje analýzu širokého spektra vzorků od nízkomolekulárních látek přes roztoky polymerů po různé formy pevných vzorků (filmy, gely, vrstvy, prášky, kompozitní materiály atd.). Zkušenosti výzkumného týmu jsou důvodem jak ke spolupráci na projektech s ostatními výzkumnými skupinami v rámci ÚMCH AV ČR, tak k mezinárodní spolupráci.

Současný výzkum v Oddělení vibrační spektroskopie

Oblasti výzkumu Oddělení vibrační spektroskopie v současnosti zahrnují samoorganizované systémy založené na blokových polymerech, vodivé polymery a související materiály, elektrolyty pro lithiové baterie, nátěrové hmoty a polymerní směsi. Zároveň se pracovníci oddělení podílejí na řešení dalších problematik studovaných na ÚMCH. Znalosti o molekulární struktuře materiálů jsou pak korelovány s jejich makroskopickými vlastnostmi a umožňují tak hlubší pochopení a predikci jejich chování.

Materiály s vysokým aplikačním potenciálem jsou nanostrukturované vodivé polymery. Jejich molekulární struktura a zákonitosti vedoucí k jejich vzniku jsou studovány kombinací spektroskopických metod. Ramanova mikroskpektroskopie při použití různých laseru umožňuje, díky rozdílné hloubce průniku laseru v závislosti na excitační vlnové délce, studium různých vrstev vnitřní struktury polypyrrolu. Tato metoda byla využita například pro studium polypyrrolových nanotrubek vznikajících v přítomnosti methyloranže.

Nejen výsledné vodivé polymery, ale také související oligomery jsou důležitým prvkem pro pochopení jejich materiálových vlastností. Metodou SERS SEC kombinující elektrochemii a povrchově zesílenou Ramanovskou spektroskopii a technikou infračervené spektroskopie zeslabeného úplného odrazu byly prosto studován vznik anilinových a pyrrolových oligomerů.

 

Ramanovská a infračervená spektroskopie je s využívána také ke studiu interakce vodivých polymerů s dopujícími látkami a vlivu této interakce na jejich molekulární strukturu. Byl navržen model vzniku nových nekovalentních vazeb polyanilínu a fosfátového tautomeru, které nahrazují vazby v polyanilínové bázi. Vodivé polymery jsou také slibné materiály pro fotoakustické zobrazování v medicinální diagnostice. Struktura těchto materiálů, jejich fotoakustická odezva v blízké infračervené oblasti byla studována pomocí infračervené spektroskopie v blízké a střední infračervené oblasti.

 

Výzkum samoorganizace systému je zaměřen na chování celulózy a směsí celulózy se syntetickými polymery v iontových kapalinách, binárních systémech iontová kapalina/voda a konvenčních rozpouštědlech. Studium a charakterizace pomocí Ramanovy a FTIR spektroskopie vznikajících nanostruktur celulózy a blokových kopolymerů spolu s jejich kvantově chemickými modely umožňuje jejich detailní popis specifických intermolekulárních interakcí důležitých pro vývoj nových samoorganizovaných materiálů.

 

 

Hlavní oblasti výzkumu

• agregační chování termoresponsivních blokových polymerů
• mísitelnost polymerních směsí a rozpustnost polymerů
• studium vodíkových vazeb v celulóze a modelových systémech
• studium molekulární struktury elektricky vodivých polymerů, zejména polyanilinu a polypyrrolu
• studium molekulární struktury nanokompositů na bázi vodivých polymerů
• infračervená a Ramanova spektroelektrochemie vrstev vodivých polymerů
• studium tenkých vrstev pomocí povrchem zesíleného Ramanova rozptylu (SERS)
• studium molekulární struktury interkalovaných jílů a modifikovaných magnetických nanočástic pro lékařské účely
• degradace polyolefinů využívaných pro lékařské a konstrukční účely

Spolupráce

• Faculty of Physical Chemistry, University of Belgrade, Srbsko (Prof. Gordana Ćirić-Marjanović)
• Ústav polymérov, Slovenská akademie věd, Bratislava, Slovakia (Dr. Mária Omastová)
• Leibniz Institute on Solid State and Materials Research, Drážďany, Německo (Dr. Evgenia Dmitrieva)
• School of Science and Technology, Kwansei Gakuin University, Sanda, Japonsko (Prof. Yukihiro Ozaki)
• Department of Chemistry, KTH Royal Institute of Technology, Stokholm, Švédsko (Prof. Magnus Johnson)
• Department of Materials Science, University of Leoben (Dr. Lidija Rafalović)
• Erich Schmid Institute of Materials Science, Austrian Academy of Science (Prof. Jürgen Eckert)
• National Institute of Chemistry, Slovenia (Prof. Nejc Hodnik)

Financování

Výzkum Oddělení vibrační spektroskopie byl podpořen granty udělené Grantovou agenturou České republiky:

• Vibrační spektroskopie a spektroelektrochemie prvních produktů vznikajících při přípravě vodivých polymerů (Z. Morávková, 18-01924Y)
• Vliv nekovalentních interakcí na mísitelnost celulózy se syntetickými polymery v komplexních rozpouštědlech (J. Dybal, 17-03810S)
• Materiály na bázi vodivých polymerů a jejich studium pokročilými spektroskopickými metodami (M. Trchová, 17-04109S)