Новости

24 февраля, 2022 13:50

Тяжелая вода заставила люминисцентные комплексы светиться в два раза ярче

Российские ученые совместно с итальянскими коллегами синтезировали новые комплексы диспрозия — химического элемента из семейства лантаноидов — которые способны светиться при облучении. Химики выяснили, что улучшить люминесцентные характеристики этих соединений можно, заменив в их составе молекулы обычной воды на молекулы «тяжелой», а также часть атомов диспрозия на их нелюминесцирующий аналог. Это позволило в два раза увеличить люминесценцию комплексов, а также управлять цветом их свечения. Разработанные подходы могут использоваться для получения материалов для квантовой электроники, оптики и энергосберегающих технологий. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Dyes and Pigments.
Рисунок 4. Образцы синтезированных комплексов при дневном свете и УФ-освещении. Источник: Илья Тайдаков
Рисунок 2. Сотрудники группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН. Источник: Дмитрий Христолюбов
3 / 4
Рисунок 4. Образцы синтезированных комплексов при дневном свете и УФ-освещении. Источник: Илья Тайдаков
Рисунок 2. Сотрудники группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН. Источник: Дмитрий Христолюбов
Лантаноиды — особое семейство химических элементов, представители которого обладают уникальными оптическими и магнитными свойствами. Например, многие лантаноидные соединения способны люминесцировать, то есть светиться в ответ на облучение. Поэтому их можно использовать при создании сенсорных материалов, источников белого света и других устройств.

В новой работе ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), МГУ имени М. В. Ломоносова (Москва), Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва) и Университета Камерино (Италия) исследовали люминисценцию комплексов лантаноида диспрозия со сложным органическим лигандом из класса гетероциклических дикетонов. Такие соединения хорошо преобразовывают падающее излучение в собственное с другой длиной волны. Это обеспечивается тем, что органический лиганд выполняет роль антенны — он поглощает внешнее излучение, передавая его на лантаноид, который, в свою очередь, излучает собственный свет.

Существенный недостаток комплексов лантаноидов, как и многих других светящихся соединений, заключается в том, что в них происходит частичное тушение люминесценции. Этот процесс связан с тем, что молекула, приняв на себя электрон при облучении, должна «сбросить» с себя излишек энергии. Это может происходить двумя способами: или благодаря испусканию кванта света, то есть люминесценции, или путем превращения избытка энергии в тепло. Во втором случае излучения не происходит, и поэтому такой процесс называют тушением люминесценции. Существует множество приемов, помогающих уменьшить тушение, но до настоящего времени очень мало исследовалось, как они действуют при совместном применении.

Ученые синтезировали комплексы диспрозия, в которых этот химический элемент частично заменили на другой лантаноид — гадолиний — который не способен светиться. Кроме того, физики предположили, что улучшить свойства соединения можно, заменив обычную воду в его составе на «тяжелую» (D2O), в которой место атома водорода занимает дейтерий.

Оказалось, что после замены молекул обычной воды на «тяжелую» люминесценция затухала втрое медленнее и была в два раза ярче. Как предполагают авторы, это связано с отсутствием связей О-Н в тяжелой воде, где аналогичные связи O-D в меньшей степени рассеивают энергию в виде тепла. У соединений, где часть диспрозия заменили на гадолиний, также уменьшилась скорость затухания люминесценции, а влияние на яркость оказалось более сложным: слишком большая примесь гадолиния приводила к снижению эффективности свечения.

Кроме того, предложенные подходы позволили управлять цветом люминисценции. Так, при добавлении гадолиния спектр свечения с желто-зеленого изменялся на белый, близкий к дневному свету.

«Предложенные нами подходы помогут при разработке новых источников белого света, в частности органических светоизлучающих светодиодов. В дальнейшем мы планируем провести подобные эксперименты и с другими лантаноидами», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Илья Тайдаков, доктор химических наук, руководитель группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН.
29 февраля, 2024
Химики СПбГУ синтезировали нетоксичные соединения, перспективные для терапии рака груди
Учение разработали линейку соединений, которые могут вмешиваться в метаболические процессы раковых к...
28 февраля, 2024
Вещество из печени дальневосточного кальмара уменьшило воспаление при повреждении почек
Ученые показали, что вещество, выделенное из печени дальневосточного кальмара, снижает воспаление в ...