Люминофор длительного свечения изобрели на Урале

Ученые Уральского федерального университета получили образцы порошков и керамики фосфата иттрия (YPO₄). После «зарядки» рентгеном это соединение излучает ультрафиолет в течение длительного времени, обеззараживая поверхности. Новые люминофоры будут востребованными в светодиодах, медицинских приборах и системах безопасности, где до сих пор используются устаревшие или менее эффективные технологии, сообщили в пресс-службе вуза.

«Наш проект, прежде всего, сконцентрирован на излучении люминофором ультрафиолета дальнего спектра. Этим не занимался почти никто в мире, ведь задача не из простых — нам предстояло подобрать такой материал, матрица которого должна быть прозрачна в широком диапазоне. И в ней должны быть дефекты определенного типа, которые захватывают носители заряда. В результате такого процесса происходит медленное высвобождение электронов и дырок, приводящее к длительной люминесценции», — рассказала старший научный сотрудник лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ Юлия Кузнецова.

Длительность свечения экспериментальных образцов нового люминофора составляет порядка 40 минут, этот показатель можно считать рекордом. Для сравнения — в Китае проводились схожие исследования соединений празеодима, которые смогли выдать лишь 15 минут свечения. В Европе и Америке изучение люминофоров сконцентрировано лишь на видимой части спектра, поэтому в настоящий момент исследование уральских ученых по дальнему ультрафиолету является уникальным.

Новое соединение имеет обширную область практического применения — согласно научным данным, его излучение на 70 % эффективнее ближнего и среднего ультрафиолета, благодаря чему оно способно убить 99,9 % бактерий. Благодаря этому ученые могут результативно использовать бактерицидные свойства фосфата иттрия для обеззараживания различных жидкостей и поверхностей: новое вещество способно заменить ртутные ультрафиолетовые лампы, которые также менее безопасны. Изначально в научной лаборатории работали с порошками, сейчас ученые сконцентрированы на создании керамических изделий, опытные образцы которых показали прирост по времени свечения в три раза. Однако уже сейчас имеются опытные образцы в различных формах: порошок, спрессованный порошок в форме таблеток и керамика.

«Мы в процессе приближения к взаимодействию с медиками, для начала хотим поработать с ветеринарами. Например, если покрыть имплант слоем нашей керамики, то после облучения рентгеном он будет обеззаражен, и этот эффект будет продолжаться за счет люминесценции даже после установки импланта и закрытия его тканью организма. Это позволит убить попавшие из внешней среды бактерии и исключить возможность воспалительного процесса. В настоящий момент мы изучаем все технологические моменты по созданию такого покрытия, и для этого у нас есть два пути развития: жесткие давления и мягкая температура, а также мягкие давления и жесткая температура соответственно», — отметила Юлия Кузнецова.

Для теоретической поддержки экспериментальных исследований научная группа создала молекулярно-динамическую модель кристалла YPO₄, позволяющую рассчитывать характеристики дефектов основной кристаллической решетки, и предложила необходимые потенциалы взаимодействия атомов друг с другом. Такое моделирование требует высокопроизводительных расчетов и обработки больших массивов данных, для чего ученые УрФУ с 2004 года используют графические процессоры. Также исследователи применяют программное обеспечение собственной разработки, эффективно использующее мощность современных видеокарт. Этот подход обеспечил большую гибкость в работе и возможность решать задачи мирового уровня без использования суперкомпьютеров.

«С точки зрения моделирования по-прежнему существует пропасть между квантово-химическими и молекулярно-динамическими расчетами. Сейчас, конечно, есть успехи с применением нейросетей, но они могут предсказать лишь то, чему ее учили, а здесь же нужен другой подход. Мы усложняем модель кристалла, введя возможность динамического перетекания зарядов в кристаллической решетке материала. Это принципиальный момент — оказалось, что для фосфата иттрия можно предложить совсем немного вариантов такого взаимодействия. Наше исследование практически подтвердило, что на текущий момент в мире не существует ни одного лучшего набора потенциалов, чем рассчитанное и предложенное нами», — пояснил один из главных авторов работы, старший научный сотрудник кафедры технической физики УрФУ Кирилл Некрасов.

В перспективе ученые планируют моделирование кристалла YPO₄ с включением активаторных примесей, для чего могут потребоваться месяцы расчетов. Также следующим этапом исследования станет модификация структуры YPO₄, и новый цикл опытного производства. Главная цель — добиться нескольких часов свечения в ультрафиолетовом излучении дальнего спектра, что пока не удавалось ни одной научной команде.


Работа поддержана грантом Российского научного фонда и опубликована в журнале по кристаллографии Crystals и в журнале по люминесценции Journal of Luminescence.