В медицинских томографах, системах безопасности и досмотра багажа используются материалы-сцинтилляторы, которые испускают свет (люминесцируют) под действием ионизирующего, в том числе рентгеновского излучения. Большинство таких материалов представляют собой неорганические кристаллы, которые выращивают в высокотемпературных печах или осаждают в виде толстых слоев в сложных установках вакуумного напыления. Хотя неорганические сцинтилляторы испускают очень яркий свет, они часто оказываются хрупкими, поэтому требуют аккуратного обращения при установке в приборы и эксплуатации. Альтернативой им могут служить органические комплексы, однако существующие образцы менее стабильны и быстро теряют свою яркость под действием рентгеновских лучей. Поэтому ученые ищут новые материалы-сцинтилляторы, сочетающие высокую эффективность, устойчивость к действию влаги и химикатов, а также простоту изготовления.
Коллектив ученых из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск), Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), Института химической кинетики и горения имени В.В. Воеводского СО РАН (Новосибирск) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова(Москва) предложил новый люминесцентный материал на основе неорганического кластерного комплекса молибдена. Комплекс, взятый за основу, представляет собой октаэдрический металлокластер молибдена, окруженный иодид- и цианид-лигандами — химическими группами из иода или азота и углерода соответственно. Такие вещества испускают яркий красный свет при облучении ультрафиолетом или рентгеновским излучением, однако теряют это свойство при высокой влажности, что ограничивает их применение.
Соавторы исследования из лаборатории новых материалов для солнечной энергетики МГУ имени М.В. Ломоносова. Источник: Алексей Тарасов
Авторы усилили свечение молибденсодержащих кластеров и значительно повысили их стабильность за счет связывания их в устойчивое полимерное соединение через окруженные органическими лигандами катионы серебра.
Ученые протестировали свойства исходного и нового соединений при воздействии на них рентгеновских лучей. Оказалось, что взятый за основу кластер испускает крайне слабое свечение, в то время как связывание кластеров через катионные комплексы серебра с органическими лигандами улучшает люминесцентные свойства материала примерно в сто раз. Эффективность свечения гибридного полимерного соединения оказалась сопоставимой с коммерчески используемыми неорганическими сцинтилляторами.
Более того, связанный в полимерную структуру кластер стал устойчив к кипячению, действию кислот и щелочей, а также длительному облучению мощным рентгеновским излучением, которое быстро выводит из строя большинство известных аналогов.
Группа химиков-синтетиков лаборатории синтеза кластерных соединений и материалов ИНХ СО РАН. Источник: Алексей Тарасов
Чтобы протестировать полученный сцинтиллятор на практике, специалисты факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова изготовили на его основе тонкие рентгеновские экраны и испытали их на лабораторных источниках рентгеновского излучения и модельных объектах. Это позволило получить рентгеновские изображения рукотворных и природных мелких объектов — гибкой печатной платы и креветки — с разрешением, не уступающим коммерческим аналогам.
«Нам удалось синтезировать материал, сочетающий одновременно высокую стабильность и яркое свечение, чего ранее не получалось добиться для соединений на основе ярко люминесцирующих кластерных комплексов молибдена. Это открывает путь к созданию надежных и долговечных датчиков ионизирующего излучения, сцинтилляторов для компьютерных томографов и других систем визуализации, где используются рентгеновские лучи. Важно, что предложенный комплекс можно синтезировать из доступных компонентов и при относительно низких температурах. Применение разработанных нами материалов в составе рентгеновского визуализационного материала — это первый результат нашего сотрудничества с коллегами с факультета наук о материалах МГУ и из ФИАН. Полагаю, этот яркий во всех смыслах слова результат ляжет в основу создания целого ряда высокостабильных люминесцентных материалов, которым найдется применение в российской промышленности», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Константин Брылев, доктор химических наук, профессор РАН, директор ИНХ СО РАН.
