Химики научились управлять люминесценцией редкоземельных металлов
Исследователи НИУ ВШЭ и ИНХС РАН нашли способ управлять цветом и яркостью свечения редкоземельных элементов. Их люминесценция кажется предсказуемой: например, церий излучает в ультрафиолетовом диапазоне. Однако ученые показали, что это можно изменить. Они подобрали химическое окружение, при котором ион церия начал светиться желтым светом. Результаты могут помочь в разработке новых источников света, дисплеев и лазеров.
Исследование опубликовано в журнале Optical Materials. Редкоземельные элементы используются в микроэлектронике, светодиодах и люминесцентных материалах благодаря их способности излучать свет строго определенного цвета. Это зависит от того, как ведут себя их электроны при поглощении и высвобождении энергии.
Когда атом получает энергию, например, от света или электрического тока, один из его электронов может перейти на более высокий уровень. Однако это состояние нестабильно, и спустя короткое время электрон возвращается обратно, высвобождая излишек энергии в виде света. Этот процесс называется люминесценцией.
В редкоземельных элементах свечение происходит за счет переходов электронов между 4f-орбиталями — областями вокруг атомного ядра, где могут находиться электроны. Обычно энергия этих переходов фиксирована, поэтому цвет свечения остается постоянным: церий излучает невидимый ультрафиолетовый «свет», тербий — зеленый. 4f-орбитали расположены глубоко внутри атома и почти не взаимодействуют с окружающей средой, а вот 5d-орбитали, напротив, чувствительны к внешнему воздействию, но обычно не принимают участия в люминесценции лантанидов из-за слишком высокой энергии.
Но ученые НИУ ВШЭ и ИНХС РАН показали, что цвет излучения можно изменить, если скорректировать химическое окружение металлов. Они синтезировали комплексы церия, празеодима и тербия, используя органические лиганды — молекулы, окружающие ион металла. Они формируют его геометрию и влияют на свойства комплекса. Во всех случаях вокруг металла симметрично располагали три циклопентадиенильных аниона: это правильные пятиугольники из атомов углерода, к которым присоединены крупные органические фрагменты, обеспечивающие нужную структуру комплекса. Такое окружение создает вокруг иона специфическое электростатическое поле, меняющее энергию 5d-орбиталей и, соответственно, спектр люминесценции.
«Раньше изменение цвета свечения уже наблюдали, но не понимали, как это работает. Сейчас при участии наших коллег-физиков нам удалось разобраться в механизме этого эффекта. Мы специально создавали соединения с нетипичным для лантанидов электронным строением. Не ограничиваясь одним примером, мы сделали серию соединений от церия до тербия, чтобы увидеть, как меняются свойства, и найти общие закономерности», — комментирует студент магистратуры факультета химии НИУ ВШЭ Даниил Бардонов.
В обычных соединениях церий излучает ультрафиолетовый свет с длиной волны 300–400 нанометров. В новых комплексах его свечение сместилось в красную область, до 655 нанометров. Это значит, что разница энергий между 4f- и 5d-уровнями уменьшилась. Аналогичная перестройка электронных уровней наблюдалась и у других изученных лантанидов, что также приводило к изменению их люминесценции.
«Чтобы понять, как это работает, сначала нужно разобраться в механизме передачи энергии. Обычно молекула-лиганд поглощает, например, ультрафиолетовый свет, переходит в возбужденное состояние и затем передает эту энергию атому металла, вызывая его свечение, — объясняет один из авторов статьи, руководитель программы «Химия молекулярных систем и материалов» НИУ ВШЭ Дмитрий Ройтерштейн. — Но в новых соединениях процесс пошел иначе: энергия передавалась не напрямую 4f-электронам, а через промежуточное 5d-состояние».
Исследователи предполагают, что, предсказывая спектр люминесценции, получится эффективнее проектировать материалы с нужными свойствами, не тратя время на перебор вариантов. Это поможет в создании новых источников света.
«Нам удалось показать, как именно окружение атома влияет на его электронные переходы и люминесценцию лантанида, — рассказывает студент бакалавриата факультета химии НИУ ВШЭ Федор Черненький. — Теперь мы можем целенаправленно подбирать структуру соединений, чтобы управлять люминесценцией и получать материалы с заданными оптическими свойствами».
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Китайские и британские палеонтологи обнаружили древнейший эволюционный прообраз челюстей современных пауков и скорпионов. Просканировав окаменелость животного Urokodia aequalis возрастом 518 миллионов лет, ученые выявили самую раннюю известную науке переходную форму хелицер. Трехмерная модель впервые наглядно показала, как именно возникло главное оружие паукообразных: несколько суставов длинных хватательных конечностей, характерных для кембрийских хищников, срослись воедино и образовали новый ротовой аппарат.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Новая находка доказывает, что эволюция изобрела как минимум два независимых способа бороться с вирусами. Это открытие кардинально меняет представления о развитии иммунитета и расширяет горизонты для поиска новых лекарств.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно