Ученые из Национального университета Сингапура разработали дизайн молекул, увеличивающий излучающую способность органометаллических сцинтилляторов более чем в тысячу раз. Это стало возможным благодаря перепоглощению экстинов внутри материала.
Процесс передачи энергии к лантаноидным центрам (Eu³⁺). Рентгеновское облучение (1) запускает каскад вторичных рентгеновских возбуждений, которые затем захватываются органическими лигандами (2) после перераспределения тепла в системе и (3) впоследствии переносятся обратно к лантаноидным центрам благодаря эффекту резонансного усиления (4), что приводит к усилению люминесценции (hv) / © Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01586-w
Распознать и зафиксировать действие ионизирующего излучения, например рентгеновского, — важная задача в медицине, экологическом мониторинге и астрономии. Сделать это помогают люминесцентные материалы, преобразующие излучение в свечение в видимом спектре длин волн.
Подвид люминесцентных веществ, преобразующих высокоэнергетические излучения в свет, называется сцинтилляторами. Современные высокоэффективные сцинтилляторы в основном созданы из керамики и перовскитов. Эти материалы сложно и дорого производить, они токсичны, хрупки и нестабильны в работе. Ученые постоянно ищут новые, менее капризные сцинтилляторы.
Фосфорорганические соединения — альтернатива существующим сцинтилляторам: эти материалы экономичны в производстве и обладают гибкостью. Они не очень эффективны в обнаружении рентгеновского излучения, потому что слабо его поглощают.
Еще один плюс таких соединений — возможность генерации в них триплетных экситонов. Это квазичастицы, связанное состояние электрона и дырки. В триплете спины электрона и дырки параллельны, общий спин квазичастицы — единица. Такие частицы образуются в материале, когда он поглощает излучение. Они есть в материале, но не могут использоваться полностью из-за его электронной структуры.
Команда под руководством профессора Лю Сяогана (Liu Xiaogang) решила эти проблемы, введя в сцинтилляторы редкоземельные вещества-лантаниды для улучшения поглощения рентгеновского излучения. Также в сцинтиллятор ввели органические лиганды — дополнительные вещества, выстраивающиеся в основную структуру материала. Они помогли собрать триплетные экситоны и преобразовать их энергию в видимое излучение.
Дизайн молекул, разработанный исследователями, улучшил характеристики молекулярных сцинтилляторов. Захват энергии на органических лигандах позволил увеличить люминесценцию материала в 1300 раз. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature Photonics.
Созданные учеными органолантанидные соединения проявляют высокую устойчивость к высокоэнергетическому излучению и превосходят известные органические сцинтилляторы и неорганические кристаллы по эффективности преобразования рентгеновского излучения. Физики смогли добиться полного спектра рентгеновской сцинтилляции — материал излучает от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Кроме того, их методология позволяет точно регулировать время жизни созданного излучения.
