Как управлять люминесценцией?

НаукаНаука

Больше света

Записали Ольга Грибова и Петр Хромых

Задача лаборатории — повысить эффективность люминесценции материалов на основе редких земель. Фото: предоставлено лабораторией «Молекулярной спектроскопии люминесцентных материалов» Физического института имени П. Н. Лебедева

Создать вещество, которое будет хорошо светиться — или, по-научному, люминесцировать,— уже сама по себе непростая задача. Хотя к настоящему времени таких веществ известно много. Но понять, отчего оно светится именно так, а не иначе, и как сделать так, чтобы оно светилось лучше,— это большой комплекс научных задач. Над их решением работают сотрудники лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Физического института имени П. Н. Лебедева. Как управлять люминесценцией, рассказал «Ъ-Науке» ведущий научный сотрудник ФИАНа, доктор химических наук Илья Тайдаков.

Оптические антенны

В 1940-х годах было показано, что если добавить к чистому иону лантаноида определенные органические молекулы, то эти молекулы образуют с ним связь и получится так называемое координационное соединение. За счет чего это происходит? Координационные соединения состоят из центрального атома и связанных с ним молекул или ионов — лигандов. Центральный атом — как правило, положительно заряженный ион; лиганды в координационных соединениях имеют отрицательный заряд.

Центральный ион принимает электронные пары лиганда — и между ними образуется координационная, или донорно-акцепторная связь. Органические молекулы, в отличие от ионов лантаноидов, поглощают свет хорошо: можно добиться, чтобы органическая часть соединения поглощала свет и передавала энергию на центральный ион. Получается своеобразный световой комбайн, который люминесцирует гораздо эффективнее, чем свободный ион лантаноида.

Можно представить себе, что ион лантаноида — это радиоприемник. Чтобы приемник уверенно улавливал сигнал, нужна антенна. Органическая обвязка иона лантаноида служит такой оптической антенной, а процесс передачи энергии так и называется: антенный эффект. Разумеется, эти процессы не происходят сами собой, нужно подобрать условия: органическая часть молекулы должна быть устроена определенным образом, чтобы она эффективно связывалась с ионом, чтобы передача энергии была эффективной, а потери энергии — минимальными. Люминесцентные свойства самих лантаноидов варьируются, и хотя вещества на их основе можно модифицировать связями с органикой и ионами металлов, немаловажно и то, ион какого из лантаноидов взять за основу координационного соединения. Ученые лаборатории используют главным образом европий и тербий. Из всех ионов лантаноидов у них наиболее яркая видимая люминесценция. У европия — красная, у тербия — зеленая. Изучаются соединения и других лантаноидов, например, иттербия или неодима, обладающие невидимой человеческим глазом люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра.

Помимо того что ион европия дает наибольшую яркость, он также уникален тем, что, исследуя его спектр, можно получить много информации о передаче энергии во всем соединении.

Фторные «подвески»

В контексте люминесцентных координационных соединений введение атомов фтора в такие молекулы интересно по двум причинам.

Во-первых, фтор по своим свойствам несколько похож на водород. За счет этого связь углерода с водородом (C-H), лежащую в основе большинства органических соединений, зачастую можно (по крайней мере, теоретически) заместить связью со фтором (C-F). Фторорганические соединения — целый мир, и он неплохо исследован. Есть много любопытных материалов на их основе. Например, тефлон — это полностью фторированный полиэтилен: если весь водород в полиэтилене заменить на атомы фтора, то и получится тефлон. Был мягкий термопластичный полимер, не очень стойкий химически, а получился абсолютно другой материал, который обладает выдающейся химической и термической стойкостью.

Для других соединений такой эффект может быть не столь ярко выражен, частичная замена атомов водорода на фтор слабо меняет физические (и даже частично химические) свойства лигандов, но может сильно изменять их фотофизические характеристики. Это важно, так как позволяет создавать ряды комплексных соединений с одинаковой (или максимально схожей) химической структурой, при этом плавно подстраивая их оптические характеристики.

Для тех классов люминесцирующих соединений, которыми занимаются в лаборатории (в большинстве комплексы лантаноидов с так называемыми бета-дикетонатными лигандами, то есть органическими молекулами, содержащими две карбонильные группы — две связи углерода с кислородом C=O, — и разделенные связью CH2), введение атомов фтора, как правило, ведет к изменению их люминесцентных свойств.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Диван желаний Диван желаний

Татьяна Бабенкова из сериала и фильма «Полицейский с Рублевки»

Maxim
Как NFT меняет арт-рынок и выходит в России в легальное поле Как NFT меняет арт-рынок и выходит в России в легальное поле

Как живопись обосновалась в метавселенной и как государство поддерживает NFT

СНОБ
Будущее за продуктами, дающими новое качество жизни клиентам Будущее за продуктами, дающими новое качество жизни клиентам

Член правления ВТБ Святослав Островский — о банковских сервисах

Деньги
Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне

В 1908 году Эйнштейн получил короткое письмо от профессора Альфреда Кляйнера...

Наука и жизнь
Милютины Милютины

В отличие от большей части тогдашней элиты, Милютины поднялись из низов

Дилетант
Раскопки в пустыне и тайное общество в Египте: история путешественницы Фрейи Старк Раскопки в пустыне и тайное общество в Египте: история путешественницы Фрейи Старк

История женщины, которая твердо решила повидать мир

Forbes
Аскезы, диджитал-детокс и другое Аскезы, диджитал-детокс и другое

Какие из оздоровительных практик героини решили испытать на себе, и что вышло?

Здоровье
Персонал напрокат Персонал напрокат

Что такое аутстаффинг и почему он стал популярен в России

FP. BusinessReview
Гимназия Санкт-Петербургской Академии наук: создание и становление Гимназия Санкт-Петербургской Академии наук: создание и становление

История первой гимназии Санкт-Петербургской Академии наук

Знание – сила
«Вместе навсегда» «Вместе навсегда»

8 правил, которые помогут спасти брак

Лиза
Не такие, как мы Не такие, как мы

Странные привычки китайцев, которые тебя удивят

Лиза
Машины лечат людей: как нейросети используют в российской медицине Машины лечат людей: как нейросети используют в российской медицине

Россия начала активно разрабатывать нейросети в системе здравоохранения

ФедералПресс
Как разобраться в современном арт-рынке — краткая памятка Как разобраться в современном арт-рынке — краткая памятка

Памятка, которая поможет начинающему коллекционеру современного искусства

Правила жизни
Новые РеалИИ Новые РеалИИ

Российские продукты на базе искусственного интеллекта

ФедералПресс
Карманные деньги: почему полезно давать детям и как это правильно делать Карманные деньги: почему полезно давать детям и как это правильно делать

Карманные деньги не замена заботы, а способ научить детей финансовой грамотности

РБК
Нежный возраст Нежный возраст

Лучшие идеи для обустройства и оформления детской комнаты

Добрые советы
Пойдем гулять? Пойдем гулять?

Как защитить собаку на прогулке

Лиза
Тень сомнений Тень сомнений

Кажется, что вскоре техника будет неотличима от магии, а мир наполнится чудесами

Правила жизни
Созвучное настроение Созвучное настроение

Цветовая и архитектурная образность Санкт-Петербурга в оформлении интерьера

Идеи Вашего Дома
Отдохни еще немного Отдохни еще немного

Кому полагается дополнительный отпуск и при каких условиях

Лиза
Выход через развалины Выход через развалины

Как «бумажная архитектура» пыталась вырваться из утопии

Weekend
Это мы не проходили Это мы не проходили

Высшее образование становится бессмысленным, но учиться приходится всю жизнь

Men Today
«Граф» Пабло Ларраина: что будет, если диктатор окажется бессмертным вампиром «Граф» Пабло Ларраина: что будет, если диктатор окажется бессмертным вампиром

Как история о диктаторе-вампире оказывается менее интересной, чем ожидаешь

Forbes
Шутки ради Шутки ради

Что происходит с юмором сегодня и каким он будет завтра?

Men Today
Куклы романтизма Куклы романтизма

Есть ли в мире бездушной и безжалостной техники место для романтиков?

Правила жизни
Партком тут бессилен Партком тут бессилен

Как советская производственная драма оказалась политической

Weekend
Без паники! Откуда берутся неврозы и как с ними справиться Без паники! Откуда берутся неврозы и как с ними справиться

Исследований невроза много, но ответы на главные вопросы не найдены до сих пор

Лиза
Станислав Лем Станислав Лем

Правила жизни писателя Станислава Лема

Правила жизни
Отказаться от сигарет по науке Отказаться от сигарет по науке

Почему люди продолжают курить сигареты?

Наука
Лицо в точечку Лицо в точечку

Новообразования на коже доставляют много неудобств. Как с ними быть?

Лиза
Открыть в приложении