Свет сообщает: как люминесцентные материалы меняют стандарт бесконтактной термометрии

Измерительные приборы нового поколения в ближайшем будущем станут незаменимыми в самых разных отраслях, от атомной промышленности до хирургии. Их высокая точность не только предотвратит аварийные ситуации, но и обеспечит безопасность пациентов во время сложных операций, исключая риск внутренних ожогов. Чтобы узнать подробности, мы поговорили с доктором химических наук Валентиной Уточниковой, возглавляющей Группу Люминесценции в лаборатории химии координационных соединений кафедры неорганической химии МГУ им. М. В. Ломоносова. Она поделилась тем, как ведет разработки высокочувствительных материалов для бесконтактных люминесцентных термометров.

 — Валентина, что привело Вас в профессию? Почему заинтересовала химия?

 — Отчасти это произошло случайно. Я всегда была человеком увлекающимся, с детства пробовала разные направления, от музыки и математики до конного спорта. Оканчивая математический класс 91-й школы, я неожиданно увлеклась химией и в итоге поступила на факультет наук о материалах МГУ. Тема люминесценции, процесса, при котором вещество поглощает энергию, а затем излучает ее как видимый свет, заинтересовала меня во время работы над курсовой. По распределению я попала в лабораторию, занимавшуюся такими исследованиями. Это идеальное сочетание, здесь можно было изучать химию и физику одновременно. Я очень благодарна МГУ за прекрасное образование и возможность работать в науке. Меня вдохновляет интеллектуальная деятельность — это то, что приносит мне настоящее удовольствие.

 — Как Вам удалось разработать высокочувствительные материалы для бесконтактных люминесцентных термометров?

 — Нас всех делает образование. Факультет наук о материалах был создан Юрием Третьяковым, который лично приходил на все защиты наших курсовых работ и неизменно задавал один ключевой вопрос: «Зачем?» Далеко не каждому студенту-химику дважды в год академик задаёт такой вопрос, а нам задавали. Это приучило нас к осмысленной работе, мы всегда держали в голове потенциальное практическое применение. Координационные соединения лантанидов уже давно используют в сенсорах, преимущественно химических, но мы оказались среди первых ученых, которые начали использовать их для температурных измерений. Это направление меня увлекло, тем более что наша группа как раз успешно завершила проект для Госзнака, разработав термочувствительные люминофоры для защиты ценных бумаг. То есть материалы, излучающие свет под ультрафиолетом или видимым светом. Этот опыт мы перенесли в новую сферу — люминесцентную термометрию, метод измерения температуры через изменение люминесцентных характеристик материалов под воздействием тепла.

 — Расскажите, какие материалы Вы использовали, и какие физико-химические свойства делают их эффективными для термометрии?

 — Термометрия разнообразна по характеру применений, каждое из которых требует специфических температурных диапазонов и свойств материалов. Одно из самых интересных направлений — высокотемпературный диапазон до 300-400°C, начиная от комнатной температуры. Задача заключалась в создании материалов, чья люминесценция была бы высокочувствительной к температурным изменениям, сохраняя при этом высокую интенсивность свечения. Особое внимание мы уделили термической и фотостабильности, так как материал должен был выдерживать одновременное воздействие ультрафиолета и нагрева. Исходя из этого, мы выбрали координационные соединения лантанидов с ароматическими карбоксилатами, содержащими несколько карбоксильных групп. Эти соединения образуют прочные трёхмерные металлоорганические каркасы. Наши предыдущие исследования и научная интуиция указывали, что такие комплексы должны сочетать высокую стабильность при УФ-облучении и нагреве с интенсивной люминесценцией и выраженной температурной чувствительностью, так и вышло.

 — Как проходит процесс синтеза материалов, какие методы при этом используют?

 — Процесс получения и характеризации материалов включает несколько этапов. Сначала мы используем классические методы синтеза нового соединения, затем всесторонне изучаем его характеристики. Определяем кристаллическую структуру, анализируем физико-химические свойства — температурную стабильность, ИК-спектры, данные масс-спектроскопии. Особое внимание уделяем люминесцентным свойствам, измеряем спектры излучения, квантовые выходы (эффективность свечения), времена жизни возбуждённого состояния и их температурную зависимость.

 — С какими сложностями пришлось столкнуться при разработке и тестировании материалов?

 — При разработке материалов для высокотемпературной термометрии ключевая проблема — стабильность. Даже изначально термически и фотостабильные соединения могут терять свои свойства под одновременным воздействием температуры и УФ-излучения. Поэтому особое внимание мы уделяем изучению стабильности, а также обратимости и воспроизводимости. Эти параметры требуют многократных повторных измерений и тщательного контроля, что является обязательным этапом нашей работы.

 — Решая проблему стабильности, Вы первые в мире ввели в практику новый метод. В чем его суть?

 — Мы разработали подход, сочетающий использование дифрактометра с температурной приставкой для регистрации дифрактограмм в рабочем диапазоне температур и дополнительную модификацию прибора, позволяющую одновременно облучать образец ультрафиолетом и регистрировать спектры люминесценции. Такая синхронная регистрация дифрактограмм и спектров люминесценции показала неизменность структуры материала во всем температурном диапазоне, подтвердив его термическую стабильность даже при одновременном УФ-воздействии. Это гарантирует стабильность при эксплуатации. Хотя наше решение не является фундаментальным открытием, оно представляет значительный практический интерес для исследований в области высокотемпературной люминесцентной термометрии, и мы активно внедряем эту методику в мировую научную практику.

 — Как использование в качестве стандарта тербия и европия помогает избежать дополнительной калибровки измерительного оборудования?

 — Наиболее удобный температурно-зависимый сигнал — интенсивность люминесценции. Однако у этого параметра есть существенный недостаток, он зависит не только от температуры, но и от множества других факторов. Интенсивность может варьироваться на разных приборах. Кроме того, если светодиод дает нестабильный входной сигнал, выходной сигнал также будет колебаться, что существенно усложняет измерения и снижает их точность. Решением проблемы стали самокалибрующиеся термометры, где сигнал не зависит от типа детектора или источника. В таком качестве идеально подходит соотношение интенсивностей люминесценции. Например, для тербия (Tb) и европия (Eu) абсолютная интенсивность люминесценции каждого элемента действительно зависит от характеристик оборудования, но их соотношение остается постоянным. Это полностью устраняет проблему замены детектора или светодиодного источника.

 — Какие преимущества люминесцентной термометрии Вы можете назвать в сравнении с другими методами?

 — Основное преимущество метода заключается в его бесконтактности. Хотя люминофор наносится на нагретую поверхность, детектор не требует физического контакта, в отличие от традиционных термопар или термометров сопротивления. Этот подход также позволяет проводить тепловое картирование, при нанесении люминофорного покрытия можно регистрировать изображение люминесценции и автоматически преобразовывать его в температурную карту. Важное достоинство — полная электронная изоляция от нагретого объекта, что гарантирует взрыво-, искро- и пожаробезопасность, а также возможность измерений в условиях сильных электромагнитных наводок благодаря использованию оптического канала передачи данных. При этом наш бесконтактный люминесцентный термометр (БЛТ) обеспечивает более высокую точность измерений по сравнению с инфракрасными аналогами, сочетая все эти преимущества в едином решении.

 — В чем это выражается?

 — БЛТ обеспечивает точное измерение температуры конкретного нагретого объекта даже в сложных условиях. Например, при наличии нагретой лопатки двигателя и тепловой вспышки перед ней инфракрасный датчик зарегистрирует лишь общее тепловое пятно, тогда как БЛТ сможет точно определить температуру именно лопатки, игнорируя мешающую тепловую помеху.

 — Вашу разработку можно использовать только в промышленности, или есть и другие сферы применения?

 — Наши исследования имеют значительные перспективы для медицинских применений. Так, для измерения температуры внутри клеток критически важен бесконтактный метод, который может быть реализован с помощью люминесцентных наночастиц, распределяемых внутри клеточной структуры. Другой важный сценарий — контроль температуры при хирургических операциях, где перегрев внутренних тканей может привести к термическим повреждениям. Наша текущая задача — разработка прототипов промышленных и медицинских бесконтактных термометров, что требует придания материалам дополнительных функциональных свойств. Для успешной коммерциализации этих разработок необходимо тесное сотрудничество химиков, инженеров и физиков, а также четкое понимание потребностей конечных заказчиков, чтобы избежать нецелесообразных затрат.

 — Способствовала ли такому налаживанию связей между специалистами Ваша Первая Всероссийская конференция по люминесценции «Lumos-2024»?

 — Да, это был потрясающий опыт. Мы провели конференцию на базе Химического факультета МГУ, и мои студенты и аспиранты помогли мне организовать все на очень высоком уровне. Со всей страны собрались ведущие специалисты по люминесценции — физики, химики и биомедики. Это позволило объединить усилия и создать новые научные коллаборации. Программный комитет отметил, что наш проект продолжает традиции Всесоюзных съездов по люминесценции, последовательно охватывая химические, физические и биологические аспекты исследований. Это подчеркивает его междисциплинарную значимость. Мы активно развиваем данное направление в сотрудничестве с ключевыми научными центрами: Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН, Институтом физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина, с физическим и механико-математическим факультетами МГУ, а также с иностранными учеными из дружественных стран. Такое взаимодействие крайне важно для прогресса в этой области науки.

 — Какую роль в Ваших исследованиях сыграла грантовая поддержка?

 — Наши разработки в области люминесцентной термометрии полностью профинансированы Российским научным фондом. У меня был сначала небольшой индивидуальный грант для молодых учёных, это были наши первые шаги в термометрии, занимались физиологическим диапазоном температур. Сейчас у нас грант для научного коллектива молодых ученых, для разработок в сфере высокотемпературной термометрии. Он был рассчитан на три года наших исследований, потом продлен еще на два года. Наш пример показывает, что мы на деньги фонда не просто с нуля выполнили все задачи, но и довели результат до прототипа. Возможность получать гранты для ученых крайне важна для непрерывного финансирования исследований. Ограничения на подачу новых заявок, когда грант уже получен, замедляют работу, и эти вопросы необходимо решать, чтобы поддерживать высокий темп исследований. Мы получали гранты от Президента РФ и Российского фонда фундаментальных исследований. Мне приятно, что мои достижения отмечены также премиями Правительства Москвы, премией МГУ им. И. И. Шувалова, премией L’Orеal-ЮНЕСКО «Для женщин в науке».

 — В 2012 году Вы защитили кандидатскую диссертацию, а уже через семь лет — докторскую. Как Вам удается держать такой быстрый темп?

 — Много и продуктивно работаю. Я часто шучу, что мы трудимся по 40 часов в день, а не в неделю, но на самом деле это только отчасти шутка. И, конечно, важно не просто работать, а оптимизировать все процессы. Пока едешь на работу, в подробностях продумываешь синтез. Держишь руку на пульсе, чтобы быстро провести все измерения. Внимательно анализируешь полученные данные. Мне очень помогает, что я не экономила силы во время учебы. Кроме насыщенной учебной программы факультета наук о материалах, я дополнительно прослушала несколько курсов на мехмате и физтехе, окончила программу Научного образовательного центра в Математическом институте имени В. А. Стеклова РАН. Наверное, теперь это окупается.

 — Какие направления исследований планируете развивать в будущем?

 — Мы стремимся развивать электролюминесценцию, создаем органические светодиоды нового поколения. Нас интересует катодолюминесценция, люминесценция под действием быстрых электронов для катодолюминесцентных ламп. Новые задачи в сенсорике побуждают нас разрабатывать сенсоры для различных химических соединений. Все эти направления взаимодополняемы, и открытия в одном из них находят применение в другом. Мы сосредоточены на люминесценции координационных соединений лантанидов, но не ограничиваемся только этим. В термометрии продолжим работать над новыми проектами для разных областей применения и температурных диапазонов.

 — Поделитесь опытом Вашего участия в проекте «Наука рядом» и обратной связью, которую получили.

 — Самая приятная обратная связь, когда мама гордится, остальное — второстепенно. На улицах пока не узнают, зато мой 6-летний сын так проникся моими научными поисками, что тоже решил стать химиком.

 — Что может помочь молодым ученым сделать значимые открытия?

 — Молодым ученым я посоветую выбирать не тему, а руководителя. Нужно очень серьезно выбирать свое профессиональное окружение. Если вам будут неприятны люди, с которыми вы работаете, то ничего не получится. Успех назло и вопреки — это ненадолго. С коллегами должно быть комфортно и приятно работать, тогда и достижения не заставят себя долго ждать. Меня восхищают мои коллеги, они совершенно потрясающие учёные и одновременно с этим очень хорошие люди. Работа рядом с ними лучше всего мотивирует на достижения.

Беседовала Светлана Минеева