Ученые нашли способ задавать свойства синтетическим материалам на основе европия — редкоземельного металла, излучающего красное свечение под ультрафиолетом, — применяя в производстве различные спирты. Предложенный метод позволил регулировать структуру продуктов, их стабильность и эффективность люминесценции. При этом нестабильные соединения со временем сами перестраивались в прочные полимеры, которые светились ярче аналогов и выдерживали нагрев до 300 °C. Полученные данные позволят синтезировать новые материалы с контролируемыми оптическими свойствами для биомедицины, создания «умных» сенсоров и датчиков, а также для защиты денег и документов от подделок. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Communications.
Соединения на основе европия излучают красное свечение под действием ультрафиолета, благодаря чему широко используются в оптической электронике для создания дисплеев, лазерных кристаллов, медицинских и промышленных датчиков. Такие материалы производят с использованием двух типов органических молекул — лигандов. Отрицательно заряженные «антенные» лиганды поглощают ультрафиолетовый свет и передают энергию ионам европия. Однако при этом с металлом связываются молекулы растворителя, ухудшая его способность светиться, поэтому в синтезе применяют вспомогательные лиганды второго типа — нейтральные. Это молекулярные «заглушки», которые не дают растворителю встраиваться в соединения. Одновременное использование нескольких лигандов с различным строением и свойствами усложняет исследование и предсказание фотофизических свойств получаемых материалов.
Исследователи из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) предложили способ производства соединений европия без дополнительных нейтральных лигандов. Новым материалам можно задать определенную структуру и свойства, растворяя хлорид европия с «антенным» лигандом в разных спиртах.
Ученые синтезировали экспериментальные образцы, используя семь разных спиртов. Во всех случаях комплексы европия сформировались в виде кристаллов различной формы и размера. Полученные соединения сначала были нестабильны, однако, когда спирт испарялся на воздухе или при нагреве, вещества приобретали одинаковую структуру в виде полимера — прочной молекулярной цепочки. При использовании объемных спиртов с разветвленным строением, таких как изопропанол или третбутанол, процесс полимеризации протекал значительно быстрее. Материалы, синтезированные с помощью линейных спиртов, например этанола или метанола, отличались большей стабильностью.
Авторы исследовали структуру восьми образцов (семи молекулярных комплексов и одного образующегося на их основе полимера) с помощью рентгеновских лучей. Оказалось, что в семи молекулярных соединениях ионы европия связывались с тремя «антенными» лигандами и двумя молекулами спирта. В полимере, полученном на основе этих соединений путем нагрева, образовалась дополнительная связь европия не со спиртом, а с «антенным» лигандом соседней молекулы, что придало материалу прочность. Химики также изучили физико-химические свойства всех полученных материалов и протестировали их способность люминесцировать — излучать свет под действием ультрафиолета. Люминесценция полимера оказалась в 1,5–3 раза интенсивнее, чем у нестабильных образцов.
Полимер также обладал уникальным люминесцентным «отпечатком»: он излучал яркий свет в тех диапазонах, где свечение других образцов угасало. Это позволит использовать вещество для маркировки банкнот и ценных документов, чтобы защитить их от подделок. Кроме того, результаты исследования открывают путь к созданию новых синтетических медицинских материалов для диагностики патологических изменений в тканях. Также синтезированные новым методом соединения будут полезны при производстве сенсоров для промышленного мониторинга, например выявления утечек вредных веществ.
«Подобных полимерных комплексов без дополнительного нейтрального лиганда в мире известно не более десяти. При этом наш оказался самым стабильным и наиболее эффективным по люминесценции. Исследование помогло понять, как формировать такие структуры. На следующем этапе мы планируем применить эти знания для синтеза соединений редкоземельных элементов с другими антенными лигандами со схожим химическим строением, а также изучить их свойства», — рассказывает участница проекта, поддержанного грантом РНФ, Виктория Гончаренко, младший научный сотрудник лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Физического института РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
