Российские химики пролили свет на лантаноиды

Люминесцентные свойства этих веществ сопоставимы с используемыми сегодня в промышленности соединениями благородных металлов, но их производство будет в разы дешевле.

Работа опубликована в Beilstein Journal of Organic Chemistry.

Люминесцентные материалы — материалы, которые при облучении их светом сами начинают светиться. Спектр применения этих материалов чрезвычайно широк.

Они нужны для изготовления защитных маркировок, создания источников света и оптико-электронных устройств, в частности органических светодиодов (OLED), которые сейчас широко применяются — например, в лазерах.

Одним из интересных приложений являются конвертеры излучения для солнечных батарей и теплиц. Конвертером может быть пластмассовая пластинка, в которой растворено такое соединение.

При попадании на нее солнечного света излучение в синей области спектра поглощается и преобразуется в красное. Такие устройства популярны в аграрной отрасли, поскольку растениям нужен именно красный свет.

Аналогично повышается степень преобразования солнечного света в кремниевой батарее, поскольку можно использовать ультрафиолетовую часть спектра солнца, к которой сама батарея не чувствительна.

«Мы занимаемся синтезом координационных соединений лантаноидов (элементов с атомными номерами с 57 по 71) для различных люминесцентных применений.

Координационными называют обширный класс соединений, в которых вокруг одного атома собирается каркас из органических молекул.

Соединения лантаноидов, которые мы изучаем, имеют потенциальные преимущества перед теми соединениями, которые используются в настоящее время в электронике», — рассказывает один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Илья Тайдаков.

На сегодня в промышленности используются координационные или металлоорганические соединения благородных металлов — в основном платины и иридия.

Они обладают рядом недостатков, что накладывает ограничения на сферу их возможного применения. Невозобновляемые запасы платиновых металлов постоянно уменьшаются, а синтезировать такие материалы сложно, поэтому они дороги, к тому же обладают достаточно низкой монохроматичностью излучения.

В отличие от них, координационные соединения лантаноидов существенно дешевле и обладают высокой монохроматичностью, что важно при создании RGB-систем, лазеров, специальных селективных меток.

Для получения таких соединений лантаноидов нужны специальные органические молекулы, которые, реагируя с ионами лантаноидов, образуют координационные соединения. Эти органические молекулы должны обладать рядом свойств, чтобы получающиеся комплексы были эффективными люминофорами.

На первом этапе своих исследований Илья Тайдаков с коллегами взяли в качестве такой органической молекулы распространенный промышленный реагент — 2-теноилтрифторацетон.

Они синтезировали ряд его аналогов, содержащих более длинные фторированные цепочки углеродных атомов в боковой цепи структуры этого реагента, чтобы в будущем исследовать их взаимодействие с ионами лантаноидов.

«Такие соединения до нас практически не изучались. В рамках этой работы мы предложили метод синтеза, который позволяет получать эти соединения. Оптимизировали его, получили ряд новых производных и полностью их охарактеризовали.

Интересно, что по мере увеличения длины фторированной боковой цепи органической молекулы улучшаются люминесцентные свойства, но не до бесконечности, где-то существует оптимум», — говорит Илья Тайдаков.

Для того чтобы получить люминесцентный материал на основе лантаноида, необходимо выполнить определенные условия. Сам ион редкоземельного элемента может поглощать и испускать свет. Но эффективность процесса поглощения света очень низка.

Решить эту проблему можно, подобрав такую органическую молекулу, у которой высокий коэффициент поглощения.

Она эффективно поглощает свет, потом передает полученную энергию на центральный ион лантаноида, который уже и испускает эту энергию в виде света.

«Таким образом мы увеличиваем степень поглощения света в три-четыре тысячи раз и можем создать материалы, которые будут эффективно люминесцировать, — говорит Илья Тайдаков.

— Для каждого лантаноида существует характерный набор полос эмиссии в определенной области спектра. Поэтому для нас является весьма важной задачей создание такого органического кокона, который будет хорошо поглощать свет и образовывать прочную связь с центральным ионом, чтобы добиться эффективной передачи энергии.

Сейчас на основе полученных соединений мы создаем комплексные соединения лантаноидов и изучаем их фотофизические свойства».

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.