В СПбГУ синтезировали светящиеся полимеры для датчиков и экранов гаджетов

Светящиеся гибридные соединения с лантаноидами, которые можно использовать для создания люминесцентных красок, защитных элементов документов, датчиков и экранов гаджетов, создали ученые Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), 13 сентября сообщает пресс-служба вуза.

Новые соединения представляют собой металлорганические каркасные структуры (МОКС), входящие в класс кристаллических пористых материалов и состоящие из металлических ионов (или кластеров), связанных между собой органическими полидентатными мостиковыми лигандами.

Лигандами в комплексных соединениях называют атомы или группы атомов, непосредственно связанные с центральным атомом-комплексообразователем. Используя различные комбинации металлов и лигандов, можно получать материалы с заданными структурой и свойствами.

Соединения на основе МОКС в последние десятилетия широко используются как катализаторы реакций при производстве сенсоров, в качестве присадки к ракетному топливу, а также как люминофоры, излучающие свет под действием ультрафиолета, электромагнитного поля или других внешних воздействий.

Изучая МОКС на основе соединений лантаноидов, ученые СПбГУ ранее установили закономерности изменения формы и размера используемых в тераностике (подходе к созданию препаратов, которые одновременно служат и для лечения, и для ранней диагностики заболеваний) наночастиц. Изменения производились с помощью добавки в структуру этих наночастиц различных лантаноидов, металлов с атомными номерами 57–71.

Поскольку спектр излучения ионов лантаноидов содержит очень узкие линии, это делает их соединения перспективными для разработки новых ярких и контрастных люминесцентных красок, а также экранов мониторов. И хотя сами ионы очень плохо поглощают свет, но с помощью МОКС их можно объединить с так называемой антенной — органическим соединением, хорошо поглощающим свет и передающим его энергию на лантаноид.

При оптимальном подборе структуры такого органическо-неорганического гибрида его свечение будет не менее ярким, чем у органических люминофоров, а цвет его будет более контрастным и насыщенным.

Исследование свойств новых люминофоров проводилось в рамках проекта «Гетерометаллические терефталаты редкоземельных элементов для создания люминесцентных сенсоров» на базе кафедры неорганической химии под руководством доцента кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ Андрея Мерещенко.

Химиками СПбГУ с использованием нескольких методов была синтезирована серия таких структур, содержащих одновременно два иона: один люминесцентный (европий или тербий), а другой оптически инертный (иттрий, лантан, гадолиний или лютеций). При этом применением ультразвука они добились уменьшения размера частиц, что позволило получить МОКС с большой удельной поверхностью, что важно при разработке люминесцентных сенсоров.

Кроме того, ученые СПбГУ смогли увеличить определяющий яркость свечения квантовый выход люминесценции более чем в два раза, частично заместив ионы европия и тербия на ионы гадолиния и лютеция.

Специалисты университета проанализировали связи между структурными, оптическими, фотофизическими свойствами на уровне электронной структуры и предложили новый подход к оценке и описанию процессов передачи световой энергии возбуждения на молекулярном уровне.

Результаты исследования были представлены в цикле статей, опубликованных в журнале Molecules, последняя из которых: «Структура и оптические свойства люминесцентных металлоорганических антенных каркасов из терефталата европия, легированных ионами иттрия, гадолиния и лантана».

«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»,  — поделился автор статьи, студент СПбГУ Олег Буторлин.

Новый подход, разработанный химиками Санкт-Петербургского университета, стал значительным вкладом в развитие фотофизики металлорганических каркасов с антенным механизмом передачи энергии, а полученные ими новые материалы имеют широкие перспективы для создания люминесцентных красок, защитных элементов документов, элементов экранов гаджетов, датчиков и химических соединений, способных выявлять опасные вещества в пищевых продуктах и окружающей среде.