Лантаноиды, включающие европий и тербий, известны своей яркой и узкополосной люминесценцией. Они дают красный и зеленый цвета в различных электронных устройствах, используются в лазерах и медицинской визуализации. Выбирая лиганд (второй обязательный компонент) в комплексном соединении, регулируют другие свойства и параметры вещества, в том числе и эффективность люминесценции.
Однако не со всеми лигандами образуются комплексы, стабильные в воде, кроме того вода в большом количестве гасит свечение. Контролируя содержание воды в растворителях, которые нужны для формирования конечного продукта, сибирские ученые достигли обратимых переходов между комплексами, имеющими сильно различающиеся характеристики люминесценции. В одном из них, который светит лучше, к иону металла координирована одна молекула воды. Если количество таких молекул возрастает до двух, то наблюдается совсем иная картина — яркость свечения заметно уменьшается.
В чистой воде соединения разлагаются, но при использовании других растворителей с изменяемым содержанием воды удается регулировать структуру и, соответственно, люминесценцию соединений. По словам исследователей, именно вода здесь играет ключевую роль: уменьшение ее количества в соединении до одной молекулы дает колоссальный прирост в люминесценции.
«Изначальной идеей было создать полимер из тех же компонентов, но лиганд начал полимеризоваться сам с собой за счет водородных связей, что привело к образованию комплексов вместо полимера. В пространстве между органическими цепочками одиночные комплексы оказались изолированы и поэтому стабильны. Мы получили две похожие фазы одного состава, но с разной структурой — и, как оказалось, с разными люминесцентными свойствами. Причина разной люминесценции — в колебаниях связи O-H: они имеют высокую частоту колебаний в молекуле и снижают энергию, которая могла бы уйти на люминесценцию. Чем меньше таких связей рядом с ионом европия, тем ярче свечение. Переходы обратимы — безводный растворитель отрывает молекулу воды от комплекса и заменяет нитратом, который входит в соединение, а растворитель с небольшим содержанием воды (примерно 5 %), возвращает воду на место, не разрушая кристалл. Мы провели эти эксперименты в этиловом спирте и изопропиловом спирте, они привели к одинаковым результатам. Созданный нами люминофор может быть эффективнее и специфичнее для некоторых чувствительных датчиков и способен составить конкуренцию уже существующим люминесцентным системам», — прокомментировал инженер ИНХ СО РАН Даниил Ушаков.
«Соединения лантаноидов обладают сильной люминесценцией. Это неорганические соединения, и их относительно просто синтезировать. Люминесценция европия — основной источник красного цвета в дисплеях. Соединения светят ярко, и их достаточно в небольшом количестве. В медицинской диагностике красные люминофоры применяются довольно часто, потому что биологические ткани наиболее прозрачны именно для красного света. Кроме того, европий и тербий светят узкими полосами, что характерно только для лантаноидов. Это полезно при разработке систем для выявления подделок, например специальных меток для банкнот, печатей, пропусков, произведений искусства. Если смешать зеленый и красный люминофоры, получится желтый, но светящий не одной обычной полосой спектра, а несколькими узкими. Подделать такой спектр обычным желтым люминофором невозможно — именно спектр свечения и выдаст подделку. В будущем мы планируем расширять возможности полученного люминофора, модернизировать его и создать образец более универсального детектора для прикладного применения», — рассказал старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Павел Демаков.
Статья об этом исследовании опубликована в журнале Inorganic Chemistry.
