Светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Перспективными люминесцентными материалами считаются комплексы лантаноидов — группы из 15 металлов, имеющих уникальную электронную оболочку, придающую большинству ионов лантаноидов характерный набор спектральных линий (спектр свечения). Но сами эти металлы плохо поглощают свет, поэтому к ним «прикрепляют» органические молекулы (лиганды), которые улавливают энергию и передают ее металлу. При этом сложно заранее спрогнозировать, насколько ярко будет светиться готовый материал: даже маленькое изменение в молекуле-лиганде может поменять свечение. Поэтому ученые ищут способы управлять этим свечением.
Исследователи ФИАН синтезировали три новых органических лиганда для светящихся материалов. За основу они взяли известную органическую молекулу с кислородом, фтором и ароматическим фрагментом.
Химики доработали молекулу, добавив в нее фрагменты с кремнием, германием или оловом. Поскольку эти элементы гораздо тяжелее углерода, они могут усиливать спин-орбитальное взаимодействие — квантовый эффект, который частично снимает запреты на некоторые электронные переходы и облегчает перенос энергии к иону металла.
Ученые соединили такие молекулы с ионом европия (это один из лантаноидов) и получили три новых светящихся комплекса — отличались они только тем, какой элемент был в составе: кремний, германий или олово.
Авторы исследовали люминесцентные свойства полученных соединений при облучении ультрафиолетом: лучше всех показал себя вариант с кремнием, который светился в полтора раза ярче, чем комплекс с оловом. Дело в том, что кремний помогает лучше ловить свет и при этом не теряет энергию впустую — а вот германий и олово запускают такой побочный процесс.
У комплекса с кремнием есть еще одно преимущество: кремний безопаснее германия и олова. Поэтому такой материал можно использовать в медицине — например, как светящуюся метку, чтобы следить за клетками или за тем, как лекарство попадает в организм.
Мы показали, что можно управлять эффективностью переноса энергии в молекуле и повысить яркость люминесценции материала, точечно изменяя структуру молекулы. Вместо синтеза большого числа похожих соединений достаточно заменить всего один атом, чтобы заметно повлиять на эффективность передачи энергии и свойства материала. В дальнейшем мы планируем изучить, как дополнительные модификации наиболее успешного комплекса с кремнием повлияют на его люминесцентные характеристики и удастся ли с их помощью создать еще более эффективные светящиеся материалы.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что новый метод позволил многократно усилить люминесценцию материалов.
