Предложенный метод позволил регулировать структуру веществ, их стабильность и эффективность люминесценции. При этом нестабильные соединения со временем сами перестраивались в прочные полимеры, которые светились ярче аналогов и выдерживали нагрев до 300 . Полученные данные позволят синтезировать новые соединения с контролируемыми оптическими свойствами для биомедицины, создания умных сенсоров и датчиков, а также для защиты денег и документов от подделок.
Редкоземельный металл европий
Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова предложили способ производства соединений европия. Из них получаются материалы, которым можно задать определенную структуру и свойства.
Справка «Известий»
Соединения на основе европия излучают красное свечение под действием ультрафиолета, благодаря чему широко используются в оптической электронике для создания дисплеев, лазерных кристаллов, медицинских и промышленных датчиков. Такие материалы производят с использованием двух типов органических молекул — лигандов. Отрицательно заряженные «антенные» лиганды поглощают ультрафиолетовый свет и передают энергию ионам европия. Однако при этом с металлом связываются молекулы растворителя, ухудшая его способность светиться, поэтому в синтезе применяют вспомогательные лиганды второго типа — нейтральные. Одновременное использование нескольких лигандов с различным строением и свойствами усложняет исследование и предсказание фотофизических свойств получаемых материалов.
Новым материалам можно задать определенную структуру и свойства, растворяя хлорид европия с «антенным» лигандом в разных спиртах. Ученые синтезировали экспериментальные образцы, используя семь разных спиртов. Во всех случаях комплексы сформировались в виде кристаллов различной формы и размера. Полученные соединения сначала были нестабильны, однако, когда спирт испарялся на воздухе или при нагреве, вещества приобретали одинаковую структуру в виде полимера — прочной молекулярной цепочки.
Авторы исследовали структуру восьми образцов (семи молекулярных комплексов и одного образующегося на их основе полимера) с помощью рентгеновских лучей. В полимере образовалась дополнительная связь европия с «антенным» лигандом соседней молекулы, что придало материалу прочность.
Химики также изучили физико-химические свойства всех полученных материалов и протестировали их способность люминесцировать — излучать свет под действием ультрафиолета. Люминесценция полимера оказалась в 1,5−3 раза интенсивнее, чем у нестабильных образцов.
Полимер также обладал уникальным люминесцентным «отпечатком»: он излучал яркий свет в тех диапазонах, где свечение других образцов угасало.
— Подобных полимерных комплексов без дополнительного нейтрального лиганда в мире известно не более десяти. При этом наш оказался самым стабильным и наиболее эффективным по люминесценции. Исследование помогло понять, как формировать такие структуры. На следующем этапе мы планируем применить эти знания для синтеза соединений редкоземельных элементов с другими антенными лигандами со схожим химическим строением, а также изучить их свойства, — рассказала «Известиям» младший научный сотрудник лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Физического института им. П. Н. Лебедева РАН Виктория Гончаренко.
Как будут использовать соединения с европием
Полученное вещество можно будет использовать для маркировки банкнот и ценных документов, чтобы защитить их от подделок, рассказали ученые. Кроме того, результаты исследования открывают путь к созданию новых синтетических медицинских материалов для диагностики патологических изменений в тканях. Также синтезированные новым методом соединения будут полезны при производстве сенсоров для промышленного мониторинга, например выявления утечек вредных соединений.
Справка «Известий»
Европий встречается в природе в различных минералах, таких как монацит и бастнезит. Крупнейшие месторождения этих минералов расположены в разных странах, включая Россию, Казахстан, США, Австралию, Бразилию, Индию и Скандинавию.
Новые материалы на основе европия открывают широкие перспективы в биомедицине, безопасности, сенсорике и оптоэлектронике. Их высокотехнологические свойства значительно превосходят существующие аналоги, рассказал «Известиям» эксперт «Точки кипения — Красноярск», доцент Сибирского федерального университета Илья Архипов.
— В биомедицине европиевые материалы найдут применение благодаря люминесцентным свойствам. Они могут улучшить свойства медицинских имплантатов. Еще они могут стимулировать рост сосудов и ускорять заживление тканей. Новые материалы термостабильны до 300 . Это делает их надежными для защиты в промышленности. В сенсорике и оптоэлектронике европиевые материалы также востребованы благодаря высокой чувствительности, термостойкости и эффективности, — отметил специалист.
Это исследование важно по двум причинам, отметил кандидат химических наук, доцент научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Антон Муравьев. Во-первых, впервые удалось выяснить, как молекулы спирта-растворителя влияют на инженерию кристаллов и фотофизические свойства комплексов европия. Это открытие имеет большое значение для супрамолекулярной химии и создания новых материалов.
— Во-вторых, ученые показали, как можно управлять образованием молекулярных комплексов и полимерных структур, меняя внешние условия. Это может помочь в разработке материалов с заданными свойствами. Дальнейшее изучение этих соединений позволит не только лучше понять влияние растворителя на фотофизические свойства европия, но и исследовать их применение в биомедицинской визуализации. Кроме того, эти материалы могут стать перспективными для наноэлектроники ввиду их наноразмерной архитектуры и управляемой люминесценции, — сказал ученый.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Communications.