Химики СПбГУ создали гибридные светящиеся полимеры для датчиков и экранов гаджетов

13.09.2024 | CNEWS

Источник: предоставлено авторами исследования

Ученые Санкт-Петербургского университета синтезировали гибридные соединения из лантаноидов и сделали их более эффективными, улучшив ключевые свойства. Полученные в рамках реализации гранта Российского научного фонда соединения могут быть использованы для создания люминесцентных красок, защитных элементов документов, датчиков и экранов различных гаджетов. Результаты исследования опубликованы в цикле статей в научном журнале Molecules.

Металлорганические каркасные структуры (МОКС) представляют собой большой класс кристаллических пористых материалов. Они состоят из металлических ионов (или кластеров), связанных вместе органическими полидентатными мостиковыми лигандами. Использование разных комбинаций металлов и лигандов позволяет получать материалы с различными заданными структурой и свойствами.

В настоящее время соединения на основе МОКС используются при производстве сенсоров как катализаторы реакций, присадка к ракетному топливу, а также в качестве люминофоров — веществ, способных излучать свет под действием ультрафиолета, электромагнитного поля или других внешних факторов.

Ученые Санкт-Петербургского университета занимаются изучением материалов на основе соединений лантаноидов. В частности, ранее они установили закономерности изменения формы и размера наночастиц, используемых в тераностике (инновационной области медицины), за счет добавления в структуру различных лантаноидов. В настоящее время химики Университета продолжают работы в области изучения и применения лантаноидов.

Лантаноиды — семейство, состоящее из 15 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы — металлов с атомными номерами 57−71 (от лантана до лютеция).

Как отмечают исследователи, спектр излучения ионов лантаноидов содержит очень узкие линии, что делает их соединения перспективными для разработки новых ярких и контрастных люминесцентных красок, а также экранов мониторов. При этом сами ионы очень плохо поглощают свет, однако их можно с помощью МОКС объединить с «антенной» — органическим соединением, хорошо поглощающим свет и передающим его энергию на лантаноид. Если все условия подобраны правильно, такие органическо-неорганические гибриды будут светиться не менее ярко, чем полностью органические люминофоры, но при этом цвет свечения будет более контрастным и насыщенным.

Полученные таким образом люминесцентные металлорганические каркасные структуры с антенным эффектом могут использоваться для создания люминесцентных красок, защитных элементов документов, элементов экранов гаджетов, датчиков и химических соединений для выявления опасных веществ в пищевых продуктах и окружающей среде.

Химики Санкт-Петербургского университета синтезировали серию таких структур, одновременно содержащих два иона: один люминесцентный (европий или тербий), а другой оптически инертный (иттрий, лантан, гадолиний или лютеций). Для этого авторы использовали несколько методов синтеза, в том числе с применением ультразвука, что позволило уменьшить размер частиц и получить МОКС, обладающие большой удельной поверхностью, что важно при разработке люминесцентных сенсоров.

«Оказалось, что ионы иттрия, лантана и гадолиния в неограниченных количествах замещают ионы европия и тербия в общей структуре, вставая на те же места в кристаллической решетке. Однако введение большого количества иона лютеция приводит к изменению структуры, которая зависит от метода синтеза. Так, в результате может образоваться безводный, четырехводный, десятиводный или 2,5-водный кристаллгидрат. При этом 2,5-водный кристаллогидрат терефталата лютеция и смешанных терефталатов получены нами впервые», — сказал руководитель научной группы, доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ Андрей Мерещенко.

Кроме того, ученые СПбГУ выяснили, как можно увеличить квантовый выход люминесценции, который определяет яркость свечения, более чем в два раза. Для этого нужно частично заместить ионы европия и тербия на ионы гадолиния и лютеция. Для одного из соединений, одновременно содержащего ионы тербия и лютеция в соотношении 1:9, квантовый выход составил 95%, то есть из 100 частиц, поглотивших ультрафиолетовый свет, 95 частиц испустили зеленый свет.

В ходе работы специалисты Университета не только синтезировали и изучили свойства новых соединений, но и проанализировали корреляции между структурными, оптическими, фотофизическими свойствами на уровне электронной структуры.

В частности, химики СПбГУ предложили новый подход к оценке и описанию процессов передачи световой энергии возбуждения на молекулярном уровне. Ученые показали, что квантовый выход люминесценции антенных комплексов определяется двумя параметрами: насколько эффективно переносится энергия с антенны на ион европия или тербия и насколько сильно тушится люминесценция ионов лантаноидов другими молекулами, например молекулами воды, присутствующими в составе соединений.

«Мы провели косвенную оценку эффективности передачи энергии с лиганда-антенны, который является акцептором энергии ультрафиолетового излучения, и определили основные параметры соединения, из которых рассчитали эффективность лиганда-антенны. Это позволило еще раз под другим углом взглянуть на природу передачи энергии и, как следствие, определить главенствующие факторы, влияющие на поведение этого механизма, а также немного приблизиться к его предсказанию», — сказал автор статьи, студент СПбГУ Олег Буторлин.

Разработанный химиками Санкт-Петербургского университета подход является большим вкладом в развитие фотофизики металлорганических каркасов с антенным механизмом передачи энергии. В перспективе дальнейших исследований ученые ставят задачи по применению нового подхода для анализа металлорганических каркасных структур с другими антенными лигандами

Теги:

Избранные новости