1

Название прорывного направления научных исследований:

Новые жидкокристаллические материалы и нанотехнологии для создания элементов СВЧ-техники и оптоэлектроники

2

Обоснование прорывного направления научных исследований, его соответствие требованиям п.5 Методики оценки прорывных направлений научных исследований и разработок:

В результате научно-исследовательских работ  для ориентированных фундаментальных и прикладных научных исследований прогнозируется получение принципиально новых научных знаний и способы их применения. Данный вывод можно сделать исходя из мировых тенденций в области разработки жидкокристаллических композиций в качестве диэлектрических материалов для создания таких элементов СВЧ-устройств как электрически перестраиваемые фазовращатели и управляемые фильтры, а также создание быстродействующих устройств на основе новых технологий. Интерес к разработкам в этой области появился несколько лет назад, и по прогнозам аналитиков данное направление будет активно развиваться в ближайшие годы. Уровень таких разработок нашего института  превосходит мировые аналоги. В настоящий момент интерес к данным разработкам проявляют такие ведущие мировые электронные компании, как Samsung и LG.   Учитывая их новизну и перспективность, возможно привлечение инвестиций со стороны вышеуказанных зарубежных фирм.
За счет решения фундаментальной проблемы, связанной с бездефектной ориентацией сегнетоэлектрических жидкокристаллических композиций и их стабильности к механическим деформациям, планируется расширить ассортимент разноплановых быстродействующих оптоэлектронных устройств с оптимальными эксплуатационными характеристиками, не имеющими мировых аналогов. Формирование научных и научно-технических заделов  в данном направлении будет реализовываться на основе сочетания новых материалов, новых дисплейных технологий и нанотехнологий.

3

Соответствие приоритетным направлениям научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 годы:

Тема направления научных исследований соответствует пунктам 2.1, 6.2, 6.5, 6.7 и 8.1 приоритетных направлений фундаментальных и прикладных научных исследований Республики Беларусь (постановление Совета Министров Республики Беларусь от 19 апреля 2010 г. №585).

4

Обоснование соответствия критерию прогнозируемой новизны:

В последнее десятилетие наблюдается интенсивное развитие новых типов жидкокристаллических электрооптических устройств отображения и обработки информации (оптические компоненты на основе жидких кристаллов для телекоммуникационных систем, фотонные устройства на основе жидких кристаллов, элементы СВЧ-устройств, дисплеи для отображения 3-мерных объектов и т.д.). Помимо простоты в изготовлении и невысокой стоимости достоинством ЖК устройств является простота интеграции в телекоммуникационные сети, малые габариты и их надежность. Для решения проблемы одновременного повышения быстродействия и расширения динамического диапазона работы таких устройств необходимо создание новых ЖК композиций, обладающих высокой оптической и диэлектрической анизотропиями и малой вязкостью при комнатной температуре. Исходя из мировых тенденций в области разработки новых жидкокристаллических материалов и дисплейных технологий, наиболее перспективным направлениями является разработка жидкокристаллических композиций в качестве диэлектрических материалов для создания таких элементов СВЧ-устройств как электрически перестраиваемые фазовращатели и управляемые фильтры, а также создание быстродействующих устройств на основе новых технологий.  Основными параметрами, характеризующими возможность использования ЖК материалов при создании элементов СВЧ-устройств, являются перестраиваемость и диэлектрические потери в гигагерцовой области. Значения диэлектрических потерь играют большую роль, но до сих пор не ясно, что влияет на их величину в этом частотном диапазоне. С другой стороны, параметр перестраиваемости можно оптимизировать за счет увеличения оптической анизотропии нематических ЖК на основе новых жидкокристаллических соединений. В настоящее время наиболее широко используемыми ЖК соединениями с высокой оптической анизотропией являются высоко сопряженные ненасыщенные системы, такие как производные толана и полиароматические соединения. Ведущая мировая фирма Merck (Германия) по производству ЖК композиций для производства материалов с большой оптической анизотропией использует в основном производные толана, хотя они характеризуются невысокой химической и фотохимической устойчивостью.  Мы же, для создания материалов с большой оптической анизотропией решили использовать высоко сопряженные полиароматические ЖК соединения стабильные к любым воздействиях, хотя известные полициклические ароматические системы характеризовались достаточно высокими температурами плавления, легко кристаллизовались и, как правило, выпадали из многокомпонентных ЖК композиций. Предполагалось, что основной путь к снижению температур плавления и улучшения смешиваемости - это введение в молекулу латеральных заместителей. Были синтезированы и исследованы неполярные и полярные кватерфенилы, которые характеризовались довольно низкими температурами кристаллизации и хорошей смешиваемостью с такими классами жидкокристаллических соединений, как изотиоцианаты, эфиры Демуса и цианопроизводные соединения. Данная задача была решена за счет варьирования положения и типа латеральных заместителей, а также их количества. Установлено, что наиболее перспективны в этом плане атомы хлора и метильные группы.

5

Обоснование соответствия критерию принципиальной новизны:

Одним из перспективных направлений повышения быстродействия ЖК устройств отображения информации является использование сегнетоэлектрических жидкокристаллических материалов, что позволит создавать ЖК устройства с суммарным временем переключения  не более 500 мкс. В настоящее время на мировом рынке ассортимент сегнетоэлектрических ЖК материалов и устройств на их основе представлен крайне ограниченно, так как до недавнего времени существовала нерешенная проблема, связанная с отсутствием стабильной ориентации сегнетоэлектрических молекул во времени, а также ее необратимого разрушения при даже незначительном механическом воздействии. Для решения данной проблемы, в качестве рабочей среды мы решили использовать разработанные нами сегнетоэлектрические жидкокристаллические материалы, которые по нашим расчетам должны были характеризоваться высокоупорядоченной и стабильной ориентацией молекул. При этом ориентация новых материалов будет стабильна при любой толщине зазора, и не будет зависеть даже от сильного механического (ударного) воздействия, резких температурных перепадов, а также цикличности и длительности прикладываемого электрического поля (управляющего напряжения). В ходе выполнения работ по программе «Фотоника-2015» в 2011 – 2013 годах были проведены комплексные исследования связи между молекулярным строением жидких кристаллов и основными физико-химическими свойствами; разработаны методы синтеза сегнетоэлектрических жидкокристаллических соединений, синтезированы и исследованы хиральные соединения, которые могут быть использованы при разработке композиций стабильных к деформациям. Также были определены ориентирующие материалы с требуемой энергией сцепления под наши задачи.

6

Обоснование соответствия критерию научного уровня:

Выполнение заданий на высоком научно-техническом уровне основано на выявлении тенденций развития научного направления, анализе новизны и значимости рассматриваемой проблемы в сравнении с достижениями мировой науки и техники, оценена патентоспособность предложенных решений. Разработки будут выполнены впервые в Республике Беларусь на уровне мировой новизны и защищены  патентами   Республики Беларусь.
Для выполнения работ по предлагаемым направлениям будут задействованы 2 доктора наук, 2 кандидата наук, а также другие специалисты высокой квалификации. Вышеназванные специалисты имеют богатый опыт в области синтеза, теоретического и экспериментального исследований жидкокристаллических соединений, разработки различных электрооптических устройств на их основе, как для отечественных производителей, так и для зарубежных организаций.
В институте налажено и действует многолетнее международное сотрудничество с Институтом Химии Военно-технической Академии им.Я.Дамбровского (Польша), фирмой “Samsung” (Республика Корея), Техническим университетом г.Дармштадт (Германия). Научный коллектив располагает необходимыми площадями и оборудованием для проведения исследований в области органического синтеза и исследования физико-химических и электрооптических свойств соединений и композиций на их основе, а также чистой комнатой для изготовления образцов устройств отображения информации.
С 2006 по 2012 годы по тематике опубликовано 92 работы, из них:
учебно-методические пособия- 2
статьи                        - 39 (21 в зарубежных изданиях)
тезисы                       - 31
доклады                     - 16
охранные документ  - 4

7

Обоснование соответствия критерию практической реализации:

Предполагается, что в рамках настоящего проекта будут разработаны новые эффективные синтетические подходы для получения новых полиароматических квинкефенильных производных, содержащих латеральные заместители (метил, фтор, хлор) в различных положениях полифениленовой цепи.     Будут отработаны методы очистки соединений данного класса, и изучены физико-химические и электрооптические свойства, как в индивидуальном виде, так и в составе ЖК композиций.             Благодаря особенностям структуры, в первую очередь наличию латеральных заместителей, а также длинноцепочечных алкильных заместителей в терминальном положении,новые синтезированные производные квинкефенила будут характеризоваться следующими свойствами:

• относительно низкая температура плавления;
• широкий температурный интервал существования нематической фазы;
• хорошая смешиваемость с другими ЖК соединениями в составе композиций.

            Для синтеза новых соединений будут использованы как широко известные синтетические методы (металлоорганический синтез, каталитическое кросс-сочетание и др.), так и разработанный в нашей лаборатории конденсационный метод – трансформация 3,6-дизамещенных циклогексен-2-онов, полученных конденсацией фенилвинилкетонов или их предшественников (например, солей Манниха) с 2-алкилацетоуксусным эфиром либо замещенными бензилметилкетонами.  После проведения предварительных испытаний наиболее пригодные соединения будут использованы при разработке новых ЖК композиций с большой оптической анизотропией и низкими температурами кристаллизации. Будут проведены исследования экспериментальных образцов жидкокристаллических материалов на температурную и фотохимическую стабильность.
            Предполагается продолжить исследования в направлении создания быстродействующих оптоэлектронных устройств на основе новых технологий для того, чтобы определить граничные условия (соотношение концентрации хиральных и нехиральных молекул, угол преднаклона и толщина ориентирующего слоя, вязкость и длина хиральных структур и т.д.), при которых будет достигаться стабильность к температурным и механическим деформациям. После определения граничных условий существования данного эффекта, будут изготовлены экспериментальные образцы индикаторов (модуляторов). Данные разработки предполагается использовать при создании изделий бытового и производственно-технического назначений  на предприятиях Республики Беларусь. Учитывая новизну и перспективность данных разработок, планируется привлечение инвестиций от зарубежных фирм. В последующем планируется создание разноплановых быстродействующих оптоэлектронных устройств с оптимальными эксплуатационными характеристиками, не имеющими мировых аналогов, на основе сочетания новых дисплейных технологий и нанотехнологий.
             За период с 2006 года по 2012 год выполнено 10 контрактов с зарубежными организациями (Фирма “Технодисплей” (Норвегия), Фирма «Konig Prozessuautomatisierungs GmbH»),  Фирма “LG” (Южная Корея), Институтом нефтехимического синтеза (г.Харбин, КНР), ОАО НПП «Радий» г.Москва (РФ), Фирма Dai Nippon Printing Co.Ltd. (Япония)) на общую сумму: 420000 рос.руб. и 273,25  тыс.долл.США.   

8

Значимость научной и научно-технической продукции, создаваемой в рамках прорывного направления научных исследований, для укрепления национальной безопасности, улучшения качества жизни населения, обеспечения экологической безопасности:

Планируется разработать жидкокристаллические композиции, на основе которых будут созданы устройства отображения информации двойного назначения для работы в экстремальных температурных условиях.

9

Экспортоориентированность, масштабы импортозамещения и другие преимущества достигнутых и (или) ожидаемых конечных результатов реализации прорывного направления научных исследований:

Важно отметить, что предложенный нами подход позволяет синтезировать новые классы соединений на основе методик, доступных для практической реализации и создания производства ЖК материалов, необходимых предприятиям электронной промышленности РБ для выпуска разнообразных оптоэлектронных устройств, элементов СВЧ-устройств.
В последующем планируется создание разноплановых быстродействующих оптоэлектронных устройств с оптимальными эксплуатационными характеристиками, не имеющими мировых аналогов, на основе сочетания новых дисплейных технологий и нанотехнологий.

10

Секция экспертного совета, в которой целесообразно рассмотрение предложения отметить знаком «X»):

Х

Секция по физико-математическим наукам и информационным технологиям

Х

Секция по техническим наукам, новым материалам и производственным технологиям