25 February 2022, 0:00 Олеся Фарберович

Тяжелая вода заставила люминесцентные 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.

Тяжелая вода заставила люминесцентные комплексы светиться в два раза ярче
Образцы синтезированных комплексов при дневном свете и УФ-освещении
Source: Илья Тайдаков

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.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article profiles

News article publications

Read also

Создан прозрачный электрод, который пропускает свет в ИК и видимом диапазоне
Ученые разработали прозрачный электрод — элемент, проводящий электрический ток, — на основе соединения германия и кальция, который повысил светочувствительность экспериментального фотодетектора на 85%. Такие электроды можно будет использовать в волоконно-оптических линиях передачи информации для более быстрого интернета, а также при создании покрытий для «умных» окон, которые смогут противостоять обледенению и запотеванию благодаря способности эффективно нагреваться при приложении небольшого электрического напряжения.
Electrophysics
Optics
Optoelectronics
16 March 2024
Предложен подход, позволяющий получать световые импульсы разной формы
В обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде, то есть по кривой в виде попеременно опускающихся и поднимающихся дуг. Ранее считалось, что иные формы поля невозможны, но физики предложили теоретический подход, который позволяет получать световые импульсы прямоугольной или треугольной формы. Согласно расчетам, такие изменения формы возникают при взаимодействии импульса с определенными средами с неравномерной плотностью. Треугольные и прямоугольные импульсы могут применяться в квантовых компьютерах для управления кубитами — элементами, отвечающими за хранение и обработку информации.
Laser physics
Optics
Quantum Physics
Theoretical physics
1 February 2024
Обнаружены новые особенности спирального антиферромагнетика GdRu2Si2
Международная команда физиков изучила энергетическую структуру спирального антиферромагнетика GdRu2Si2. Были обнаружены новые особенности, что позволит улучшить приборы, использующие магнитную память.
Materials Science
Nanotechnology
Spectroscopy
26 December 2023
Восстановлена трехмерная структура межзвездной среды в рукаве Персея
Ученые исследовали трехмерную структуру межзвездной среды в области образования массивных звезд, выделив в ней горячий ионизованный газ и холодные газопылевые облака. Авторы показали, что ионизованный газ неравномерно окружен холодными облаками волокнистой формы. Вокруг одной из массивных звезд ионизованный газ сформировал полупустую оболочку, возможно, заполненную горячим звездным ветром. Исследование поможет изучить многообразие форм межзвездной среды, которая играет важную роль в образовании новых светил.
Astronomy
Astrophysics
Spectroscopy
7 December 2023
Молекулы жиров в клетках помогут диагностировать рак кожи с точностью 95%
Ученые предложили выявлять рак кожи с помощью оптического метода, позволяющего неинвазивно анализировать биомаркеры заболевания в клетках. Используя в качестве таких биомаркеров молекулы жиров в составе клеточных мембран, авторам удалось с точностью более 95% отличить здоровую кожу от ткани с новообразованиями. Предложенный подход поможет улучшить диагностику рака кожи на ранних стадиях.
Biomedicine
Cancer Research
Spectroscopy
1 November 2023
Перфторированные дикетоны улучшат технологию добычи редкоземельных металлов
Красноярский ученый изучил взаимодействия перфторированных дикетонов с редкоземельными металлами и обнаружил несколько интересных закономерностей. Понимание этих процессов позволит более эффективно разделять и получать редкоземельные металлы.
Chemical technology
Metals and their alloys
Spectroscopy
27 October 2023