Управление свечением: как замена одного атома делает материалы ярче

Люминесцентные материалы — от светодиодов до биомедицинских меток — окружают нас повсюду. Особый интерес представляют комплексы лантаноидов, металлов с уникальной электронной оболочкой, дающей характерный спектр свечения. Однако они плохо поглощают свет, поэтому к ним «пришивают» органические лиганды, которые улавливают энергию и передают ее металлу. Предсказать эффективность такого комплекса сложно: даже небольшое изменение в строении лиганда может неожиданно повлиять на итоговое свечение.

Три металла — три варианта свечения

Ученые из ФИАН под руководством Евгении Вараксиной, младшего научного сотрудника лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов», синтезировали три новых органических лиганда на основе известной молекулы, содержащей кислород, фтор и ароматический фрагмент. В нее ввели атомы кремния, германия или олова — элементы тяжелее углерода, способные усиливать спин-орбитальное взаимодействие и облегчать перенос энергии к иону металла. Полученные лиганды связали с ионами европия — получилось три комплекса, различающихся только одним элементом.

При облучении ультрафиолетом комплексы показали разную эффективность люминесценции. Наилучший результат дал комплекс с кремнием: его квантовый выход был в полтора раза выше, чем у варианта с оловом. Причина в том, что кремний усиливает поглощение света, но не запускает побочные механизмы потери энергии, которые возникают у более тяжелых германия и олова.

Безопасность и перспективы

Комплекс с кремнием привлекателен не только яркостью, но и безопасностью — кремний считается менее токсичным, чем германий или олово. Это делает его перспективным кандидатом для создания светящихся меток в биомедицине, например для наблюдения за движением клеток или отслеживания доставки лекарств в организме. Также такие материалы востребованы в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.

«Мы показали, что можно управлять эффективностью переноса энергии в молекуле и повысить яркость люминесценции материала, точечно изменяя структуру молекулы. Вместо синтеза большого числа похожих соединений достаточно заменить всего один атом», — поясняет Евгения Вараксина. В дальнейшем ученые планируют модифицировать наиболее успешный комплекс с кремнием, чтобы изучить, как дополнительные изменения повлияют на люминесцентные характеристики, и, возможно, создать еще более эффективные светящиеся материалы.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Dalton Transactions. Работа показывает, что тонкая настройка химической структуры на атомарном уровне способна кардинально менять свойства материалов, открывая путь к более эффективным и безопасным люминофорам.