Научная школа "Органические и неорганические наноансамбли: структура, свойства, релаксационные процессы, применения"

Руководитель научной школы 
Зенькевич Эдуард Иосифович - доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Техническая физика»

Год создания научной школы
1980

Основоположник научной школы
Гуринович Георгий Павлович - академик НАН Беларуси, лауреат Государственной премии Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор, профессор

Основные направления научных исследований

• Спектро-структурные корреляции и механизмы релаксации возбужденных электронных состояний в самоорганизованных мультикомпонентных органичеcких нанокомплексах на основе тетрапиррольных соединений (химические димеры, триады, пентады, октады, упорядоченные полимерные агрегаты фотосинтетических пигментов) в растворах, полимерных пленках и на гетерогенных носителях (мицеллы детергентов, липосомы, белковые макромолекулы). Поиск и оптимизация нано-структур, перспективных в биомедицине и фотоэлектронике
• Принципы формирования, морфология, экситон-фононные взаимодействия и механизмы релаксации экситонного возбуждения в гетерогенных наноансамблях на основе полупроводниковых квантовых точек (CdSe, CdSe/ZnS, AIS/ZnS) и функциональных органических соединений различной природы (спектроскопия растворов и одиночных нанообъектов). Разработка органо-неорганических наноансамблей для возможных применений в новых функциональных материалах для солнечных батарей, биомедицине, наносенсорике
  
• Формирование гибридных нанокомпозитных материалов на основе порфириновых нанотрубок и плазмонных наночастиц серебра в растворах и на гетерогенных подложках различной природы; исследование структуры, композиционного состава и конформационной динамики, а также путей и механизмов фотоиндуцированных релаксационных процессов при вариации природы растворителя, свойств гетерогенных подложек и температуры. Поиск и оптимизация нанокомпозитных материалов с выраженными плазмонными эффектами для возможной разработки элементов наноэлектроники и нанофотоники
  

Квалификационный состав научной школы

• Доктора наук - 2
• Кандидаты наук - 12
• Аспиранты - 1

Основные научные достижения

• Методами кинетической лазерной спектроскопии и флеш-фотолиза в высококонцентрированных растворах (C ³ 10^–2 M) органических молекул (порфирины, хлорофилл и др.) обнаружен дистанционный безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения на триплетно-возбужденные молекулы акцептора. Впервые в мире количественно обоснован его индуктивно-резонансный механизм и закономерности. Цикл работ в этом направлении включен в число лучших результатов фундаментальных исследований Академии наук СССР и удостоен I премии Института физики НАН Беларуси
• На основании экспериментальных данных (стационарная и время разрешённая кинетическая спектроскопия при 77-293 К, линейный дихроизм, селективная лазерная спектроскопия при 4.2-77, ЯМР) и результатов квантово-химических расчетов (TDDFT)  впервые в мире обнаружено, что для широкого класса тетрапиррольных соединений с асимметричным боковым замещением (синтетические и природные объекты) характерно равновесное существование двух NH-таутомеров, обладающих принципиально различными в шкале энергий спектрами поглощения и флуоресценции с выраженной инверсией интенсивностей Q(0,0)-переходов. Полученные результаты представляют интерес для разработки элементов оптической записи информации.  
  Приглашенный доклад на Гордоновской научной конференции (USA, Boston, 1995)
• Реализована самосборка мульти-молекулярных комплексов нового поколения (димеры, триады, пентады, октады), содержащих порфириновые макроциклы и акцепторы электрона, а также полимерных упорядоченных агрегатов хлорофилла и его аналогов. Установлены морфология, конформационная динамика комплексов и обоснованы механизмы релаксационных процессов в них. Полученные органические наноструктуры с эффективным переносом энергии/заряда адекватно моделируют первичные фотопроцессы фотосинтеза и являются прототипами наноразмерных молекулярных фотопереключателей, элементов солнечных батарей и фотонных проводников, перспективных для молекулярной электроники и нанотехнологий.
  Цикл работ «Мультифункциональные структурно-организованные системы на основе тетрапиррольных соединений и их физико-химические и биологические применения» отмечен Первой Премией Национальной Академии Наук Беларуси (Минск, Беларусь, 1995)
• Впервые в мире обнаружено, что мезо-фенильное замещение в октаалкилпорфиринах и в химических димерах на их основе приводит к резкому сокращению времени жизни триплетных состояний при 295 К в жидких растворах. На основании экспериментальных данных (стационарная и кинетическая спектроскопия, ЯМР, селективная лазерная спектроскопия при 4.2-77К, круговой дихроизм в магнитном поле) и результатов квантово-химических расчетов впервые обосновано, что эти эффекты обусловлены стерическими взаимодействиями боковых объемных заместителей, приводящими к динамической непланарности тетрапиррольного макроцикла и усилению вероятности безызлучательных каналов дезактивации триплетных возбужденных состояний. Цикл работ в этом направлении удостоен Первой премии Института физики НАН Беларуси.
  Приглашенный доклад на Гордоновской исследовательской конференции (USA, Newport, 2000)
  
• Методы селективной лазерной спектроскопии и выжигания спектральных провалов при 4.2 K в жестких матрицах были впервые в мире использованы для изучения закономерностей межмолекулярных взаимодействий в химических димерах тетрапиррольных соединений.  Впервые обнаружено, что в химических димерах циклопентанпорфиринов перенос энергии между связанными макро-циклами реализуется в условиях существенной спектральной неоднородности, требует учета электрон-фононных взаимо-действий в рамках модели индуктивного резонанса и про-является в направленной NH-таутомерии в условиях селективного лазерного возбуждения.
  Приглашенный доклад на Гордоновской научной конференции (USA, California, 2001). Медаль Б.Д. Березина Российского общества порфиринов и фталоцианинов (Россия, 2017)
  
• На основе самосборки «снизу-вверх» получены гетерогенные наноансамбли на основе полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS и органических хромофоров (перилен-бисимиды, порфирины). Методами конфокальной микроскопии проведена спектральная визуализация одиночных наноансамблей и впервые в мире исследованы корреляционные соотношения между эффективностью свечения и кинетикой затухания фотолюминесценции индивидуальных квантовых объектов. На основании экспериментальных спектрально-кинетических данных и результатов квантово-механических расчетов впервые в мире количественно обосновано, что в наноансамблях «КТ-хромофор» тушение фотолюминесценции КТ обусловлено двумя процессами – индуктивно-резонансным переносом энергии и туннелированием электрона в условиях квантового ограничения, конкуренция между которыми определяется электронными свойствами КТ и органического хромофора, полярностью и температурой окружения. Совокупность полученных результатов и сделанных на их основе выводов представляют интерес для разработки элементной базы наноразмерных оптоэлектронных элементов и фотосенсибили-заторов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний. 
  Опубликованные результаты в этом направлении вошли в Top-10 лучших научных публикаций Германии в 2015 г. Приглашенный доклад на Гордоновской научной конференции (Italy, Ciocco, 2007). Included in 2017- 2020 Editions of “Who's Who in The World”, Albert Nelson Marquis Lifetime Achievement Award (2017-2020). Prestigious Medal Award of International Association of Advanced Materials (IAAM) for the year 2020 due to notable and outstanding contribution in the field of Advanced Materials
• На основании экспериментальных данных (absorption /photoluminescence, AFM, X-ray, Raman spectroscopy, light scattering) и квантово-химических расчетов (метод ММ+) впервые в мире разработана согласующаяся с реальными размерами  3D модель полупроводниковой квантовой точки (Ag-In-S)/ZnS, солюбилизированной 24 молекулами глютатиона GSН и детально установлены морфология и интерфейсные свойства наноансамблей с участием квантовой точки (КТ) и тетрапиррольного макроцикла. Обосновано, что в наноансамблях КТ-порфирин безызлучательная релаксация экситонного возбуждения обусловлена конкуренцией двух процессов: 1) диполь-дипольного переноса энергии КТ->порфирин и 2) туннелированием электрона на поверхность квантовой точки в условиях квантового ограничения. Полученные результаты могут быть использованы в нанофотонике (фотовольтаика, сенсорика) и нанобиомедицине (разработка селективных маркеров и фотосенсибилизаторов синглетного кислорода нового поколения для фотодинамической терапии онкологических заболеваний). 
  Исследования в этом направлении удостоены Гранта Президента Республики Беларусь в науке (2020 г.) и Гранта Технического университета г. Хемнитца, Германия (Grant for Full Professors in the frame of Visiting Scholar Program of Chemnitz University of Technology for established research partnerships, 2020
• Разработан и доведен до промышленного производства новый тип эталона счетчика квантов с последующим внедрением при производстве промышленных спектрофлуориметров СФЛ-1М (ОПП НТО АН СССР, г. Минск, 1989 г.) и флуориметров серии «Квант» для количественного определения концентрации хлорофилла в морской воде (Полярный НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии, г. Мурманск, 1989 г.). Авт. свидетельство № 1454527 от 15.02.1988, СССР. 
  Получен знак «Изобретатель СССР» (1990)
  
  За период функционирования научной школы подготовлено 4 доктора наук и 12 кандидатов наук.
  

Научные связи с отечественными научными организациями и международным научным сообществом
Научные организации и учреждения, с которыми проводятся научные исследования (совместные научные исследования в рамках международных научно-исследовательских программ, публикация совместных статей):

1. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси Минск, Беларусь; Гродненский государственный университет им. Я. Купалы, г. Гродно, Беларусь - Государственная программа научных исследований «Фотоника и электроника для инноваций» (2021-2025 гг.)
2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, г. Иваново, Россия – «Самоорганизованные органо-неорганические наноструктуры: поверхностная химия, процессы энергетической релаксации и возможные применения»
   
3. Ивановский государственный химико-технологичекий университет г. Иваново, Россия – «Формирование и исследование физико-химических свойств и функциональных характеристик фотосенсибилизаторов на основе тетрапиррольных соединений и наноразмерных носителей для разработки лекарственных препаратов фотодинамической терапии рака"
   
4. Институт физики полупроводников им. В. Лошкарева Национальной академии наук Украины, г. Киев, Украина – «Наноансамбли "полупроводниковые квантовые точки-порфириновые нанотрубки" и их взаимодействие с плазмонными структурами: процессы самосборки, морфология, релаксационные процессы и возможные применения"
   
5. Институт физики Технического университета Хемнитца, Фраунгоферовский институт электронных наносистем, г. Хемнитц, Германия; Институт Гельмгольца по возобновляемым источникам энергии, г. Ерланген-Нюрнберг, Германия - «Разработка физико-химических основ управляемого формирования гетерогенных наноансамблей на основе полупроводниковых квантовых точек и порфириновых наноструктур"
   
6. Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва, Россия. – «Формирование и исследование наноструктур на основе тетрапиррольных макроциклов, перспективных для фото- и электрокатализа"
   
7. Московский государственный университет тонких химических технологий, г. Москва, Россия - «Синтез и исследование мульткомпонентных нанокомплексов с участием хлоринов для применений в биомедицине"
   

Международные проекты, в которых принимают (принимали) участие члены школы:

1. Э.И. Зенькевич - Профессор (visiting professor) и лектор Технического университета Хемнитца (Институт физики, аспирантский факультет «Аккумуляция одиночных молекул на наноструктурах», Германия) (1993 – 2021 гг.)
2. Международный проект Фольксвагена No I/68 941 «Фотоника супрамолекулярных хромофоров в мицеллах и ориентированных пленках» (Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия; Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь) (1993-1995 гг.)
   

3. Международные научные гранты Сороса No RW I000 и No RW I300 «Ковалентно-связанные мультимолекулярные системы на основе тетрапиррольных соединений: спектроскопия, энергетика межхромофорных взаимодействий, генерация и тушение синглетного кислорода» (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь) (1994-1995 гг.)

4. Международный проект INTAS № 93-2810 «Фотосенсибилизаторы для фотодинамической терапии на основе хлорофилла и бактериохлорофилла» (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; Колледж Королевы Марии, Лондон, Англия; Московская академия тонкой химической технологии, Москва, Россия) (1994-1997 гг.)
   

5. Финско-Белорусское сотрудничество «Стационарное и фемтосекундное флуоресцентное исследование полимерных структурно-упорядоченных агрегатов хлорофиллла и бактериохлорофилла, связанных молекулами диоксана в бинарных растворителях».  (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; факультет физической химии Университет Ювяскиля, Финляндия) (1995 – 1998 гг.)

6. Грант Университета Ф. Шиллера (г. Йена, Германия) «Препараты на основе порфиринов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний: спектральные свойства, фотофизика и фотохимия, генерация синглетного кислорода». (1997 г.)
   

7. Международный проект Фольксвагена № I/72 171 «Двухуровневые системы в спектроскопии одиночных молекул: экспериментальные и теоретические аспекты определенных модельных систем» (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; Институт физики Технического университета, Хемнитц, Германия) (1996 – 1998 гг.)
   

8. Польско-Белорусское сотрудничество «Исследование элементарных фотофизических и фотохимических процессов с использованием техники высокого спектрального и временного разрешения» (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; Институт физической химии Польской академии наук, Варшава, Польша) (1997 – 1999 гг.)
   

9. Грант Немецкого общества академических обменов, DAAD (Реферат 325) «Формирование и исследование  самособирающихся наноансамблей с эффективным переносом энергии и светоиндуцированным переносом электрона» (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; Институт физики Технического университета, Хемнитц, Германия) (2000 г.)
   

10. Грант Немецкого общества академических обменов, DAAD (Грант № A/03/06/77) «Электроно-транспортные и свето-аккумулирующие свойства композитных материалов на основе полупроводниковых наночастиц, активированных органическими сенсибилизаторами»  (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; Институт физики Технического университета, Хемнитц, Германия) (2003 г.)
    

11. Международный проект Фон-да немецкого научного общества DFG «Лабораторная астрофизика: структура, динамика и применения одиночных молекул в исследованиях космического пространства» (Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь; Институт физики Технического университета, Хемнитц, Германия) (2003-2004 гг.)
    

12. Международный проект INTAS № 03-50-45 40 «Оптические активные ансамбли коллоидных квантовых точек и тетрапиррольных соединений: лазерно-индуцированные релаксационные процессы и опто-электронные функциональные возможности» (Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия; Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, БНТУ, Минск, Беларусь;  Ивановский государственный химико-технологический университет, Иваново, Россия) (2004-2008 гг.)
    

13. Международный проект Фольксвагена № I/79 435 «Самоорганизация одиночных молекул на одиночных квантовых точках» (Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия; БНТУ, Минск, Беларусь; Институт физики НАН Беларуси, Минск, Беларусь) (2003-2008 гг.)
    

14. Грант Немецкого общества академических обменов, DAAD № A/08/08573 «Спектроскопия одиночных нанообъектов, фиксированных на гетерогенных поверхностях. Композиты «полупроводниковая квантовая точка-органическая молекула и наноалмазы» (Институт физики университета Штутгарта, Институт физики Технического университета Хемнитца) (2008 г.)
    

15. Международный проект Фонда немецкого научного общества DFG Schwerpunkt «Диффузия и захват возбуждения в пленках и на поверхностях с квантовым ограничением» (Университет Лейпцига, Институт физики Технического университета Хемнитца) (2010 г.)
    

16. Международный проект ECO-NET, Программа № 18905YD «Электронные свойства светособирающих протеинов» (Институт биологических технологий, Саклэ, Франция; Институт физики, Вильнюс, Литва; Институт физики, Тартуский университет, Тарту, Эстония; БНТУ, Минск, Беларусь) (2008-2009, 2010-2012, 2016 гг.)
    

17. Грант Представительства национального исследовательского фонда Кореи NRF «Спектрально-кинетические свойства и генерация синглетного кислорода метиленовым синим и производными фуллерена, применения и перспективы в эндоскопии (диагностика раковых клеток и фотодинамическая терапия)» (Корейский исследовательский институт биологических наук и биотехнологий, г. Дайжен, Южная Корея). (2011 гг.)
    

18. Международный проект DFG Priority Unit FOR 877, Sachsischen Forschengruppe «От локальных напряжений к макроскопическому транспорту», раздел P4 «Управляемая диффузия в наноматериалах» (Отдел молекулярной нано-фотоники, Университет Лейпцига, г. Лейпциг, Германия; Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия; БНТУ, Минск, Беларусь). (2009-2016 гг.)
    

19. Grant No 645628, Project H2020-MSCA-RISE-2014-METCOPH «Металлокомплексы макроциклических соединений для фотонных устройств» (Институт физической химии ПАН, Варшава, Польша; Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск; Киевский университет, Украина; Исследовательский Центр Тель-Авива, Израиль; БНТУ, Минск, Беларусь). (2016-2018 гг.)
    

20. Международный проект Фольксвагена «Новые функциональные возможности полупроводниковых нанокристаллов при контролируемом связывании с органическими молекулами» (Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия; TUC SMWK "Kompensation Ostpartnerschaften"; БНТУ, Минск, Беларусь). (2018-2019 гг.)
    

21. Международный проект: Horizon 2020 Research and innovation program under grant agreement No 732482. Bio4Comp Training Period 2019 «Нанокомплексы “квантовая точка-краситель” и наноконъюгаты “краситель-квантовая точка-ДНК”: формирование, спектроструктурный отклик и возможные приме-нения в разработке наноплатформ для биоинформатики» (БНТУ, Минск, Фраунгофер ENAS, Хемнитц, Departments Back-End-of-Line & Multi-Device Integration) (2019 г.)
    

22. Программа Приглашенных Ученых Технического университета Хемнитца для признанных научных партнеров: Грант для полных профессоров“Self-Assembled Inorganic/ Organic Nanostructures: Surface Chemistry, Energy Relaxation Processes and Possible Applications” (Факультет естественных наук, Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия). (2020-2021 гг.)
    

23. Договор с БРФФИ   № Ф07МС - 022 "Разработка физико-химических принципов создания новых материалов на основе нано-размерных гетеробиядерных комплексов порфириновых макроциклов". (Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси, БНТУ, Институт физики Технического университета Хемнитца, Германия) (2007-2009 гг.)
    

24. Договор с БРФФИ № Ф10СО-005 «Раз-работка и исследование физико-химических свойств композитных материалов на основе полупроводниковых нанокристаллов и функциональных органических лигандов» (БНТУ, Минск, Беларусь; Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси; Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск, Россия). (2009-2012 гг.)
    

25. Договор с БРФФИ № F14Р-032 «Само-собирающиеся структуры на основе порфириновых  нанотрубок и плазмонных систем: формирование, спектральные корреляции, функциональные свойства и возможные применения» (БНТУ, Минск, Беларусь;  Гродненский государственный университет им. Я.Купалы; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, г. Иваново, Россия). (2014-2016 гг.)
    

26. Договор с БРФФИ № F18Р-314 от 30.05.2018 г. «Гибридные наноконъюгаты на основе j-агрегатов тетрапиррольных соединений и полупроводниковых нанокристаллов: направленная самосборка, спектроскопия, хиральность, энергетика интерфейсных явлений и фотоиндуцированных релаксационных процессов» (БНТУ, Минск, Беларусь;  Гродненский государственный университет им. Я.Купалы; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, г. Иваново, Россия). (2018-2020 гг.)

Общественное признание научной школы

• Э.И. Зенькевич - Грант Президента Республики Беларусь в науке «Разработка физико-химических основ управляемого формирования   гетерогенных наноансамблей на основе полупроводниковых квантовых точек и порфириновых наноструктур» (2020 г.)
• Э.И. Зенькевич, Е.И. Сагун, А.М. Шульга - Премия Академии наук Беларуси за цикл работ «Мультифункциональные структурно-организо-ванные системы на основе тетрапиррольных соединений и их физико-химические и биологические применения» (1995 г.)
  
• Э.И. Зенькевич - Знак «Изобретатель СССР»: Разработка (на уровне авторского свидетельства) эталонного счетчика квантов и внедрение в промышленное производство спектральных приборов» (1990 г.)
  
• Э.И. Зенькевич – Включен в список выдающихся ученых 21-го века (First Edition of International Biographycal Centre, Cambridge CB2 3QP, England, 2000)
  
• Э.И. Зенькевич – Памятная Почетная Золотая медаль Американского Биографического Института (2000 г.)
  
• Э.И. Зенькевич – Золотая медаль (Qimonda Physikpreis, Gold Medal), Нанотехнологического общества Саксонии, Дрезден, Германия за руководство научной работой «Fluoreszenz spektroskopische Untersuhungen zur Stabilitat     Hybryder Farbstoffsystem» (2008 г.)
  
• Э.И. Зенькевич – Включен в издание Marquis Edition of “Who's Who in the World” (New Prov-idence, NJ USA 07974) (2010 г.)
  
• Э.И. Зенькевич – Включен в издания 2017- 2020 Editions of “Who's Who in The World”, Albert Nelson Marquis Lifetime Achievement Award (2017-2020 гг.)
  
• Э.И. Зенькевич – Медаль Б.Д. Березина Российского общества порфиринов и фталоцианинов за вклад в исследования порфиринов и их аналогов (2017 г.)
  
• Э.И. Зенькевич – Медаль Международной ассоциации передовых материалов (IAAM) за заметный и выдающийся вклад в области передовых материалов (2020 г.)