Люминесценция — это явление, при котором какой-либо объект светится, когда его, например, облучают светом определенных длин волн. На сегодняшний день такое свойство используется и для высокоточной люминесцентной термометрии. Она основана на способности вещества изменять яркость, цвет и время свечения в ответ на нагрев или охлаждение. Этот подход — один из возможных методов оценки температур порядка 400°С, которые достигаются в двигателях и газопроводах. Кроме того, люминесцентная термометрия позволяет проводить непрерывные измерения в реальном времени и даже составлять температурные карты. Они нужны, например, для оценки распространения тепла по деталям самолета, так как если наиболее нагретая зона придется на двигатель, то он может выйти из строя. Вместе с тем, до сих пор не разработаны безопасные и эффективные методы применения люминесцентной термометрии для решения подобных задач.
Группа ученых из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва), Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва) и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН (Москва) исследовала два химических элемента, тербий и европий, а также их комплексы с тремя разными органическими анионами-лигандами (ими стали ионы гидроксибензойной кислоты) в качестве возможных материалов для люминесцентной термометрии. Чтобы их получить, авторы смешивали в спирте растворы гидроксида металла и анионов, затем осадок отфильтровывали, а жидкость выпаривали.
.jpg)
Молекулы ионов тербия и европия в кристаллических структурах. Источник: Tcelykh et al. / Sensors and Actuators: A. Physical, 2022
Специалисты показали, что комплекс, включающий в себя только европий, не обладал люминесценцией, тогда как соединения тербия, напротив, продемонстрировали хорошее свечение. Авторы предположили: соединения с европием не излучают потому, что энергия возбуждения передается между органическими лигандами и элементом недостаточно эффективно. Тогда могло бы помочь добавление к ним тербия, поскольку он отдаст европию часть собственной энергии, и процессы ее переноса станут эффективнее. Эксперимент подтвердил эту догадку: эффективность люминесценции европия возросла от 0% до 77%.
Чтобы продемонстрировать применимость своей системы в термометрии, ученые покрыли поверхность игрушечного металлического самолетика тонкой пленкой комплекса европия и тербия, а затем нагрели модельку с помощью строительного фена. В результате специалисты наблюдали градиентное изменение цвета: спереди, откуда шел теплый поток, температура была выше, и европий светился оранжевым, а в хвосте, где меньше тепла, — преобладало зеленое свечение тербия.
.jpg)
Визуализация распространения тепла через самолетик, нагреваемый горячим потоком спереди, модель покрыта тонкой пленкой изучаемого комплекса. Источник: Tcelykh et al. / Sensors and Actuators: A. Physical, 2022
«Полученные нами соединения сочетают высокую стабильность и интенсивность люминесценции, а также точность определения температур в диапазоне до 400°С. Материалы и тонкие пленки на их основе можно использовать для бесконтактного измерения высоких температур, в том числе картирования. В дальнейшем мы планируем расширить доступный интервал температур, повысить интенсивность люминесценции, а также получить термометры со свечением в инфракрасном диапазоне, где рассеяние света минимально», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентина Уточникова, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник кафедры неорганической химии химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
