Управление яркостью молекулярных комплексов: новая разработка российских учёных

Люминесцентные материалы — те, что светятся под действием внешнего излучения, — широко применяются в технике и медицине. Из них делают светодиоды для экранов и «метки» для отслеживания опухолей или распределения лекарств в организме. Особенно перспективны комплексы лантаноидов — 15 редкоземельных металлов с уникальными спектральными характеристиками. Однако эти ионы плохо поглощают свет, поэтому их «пришивают» к органическим молекулам-лигандам, которые улавливают энергию и передают её металлу. Предсказать эффективность такого переноса сложно: даже небольшое изменение лиганда может неожиданно повлиять на свечение.

Три новых комплекса на основе европия

Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) синтезировали три новых органических лиганда для светящихся материалов. За основу они взяли молекулу, содержащую кислород, фтор и ароматический фрагмент, а затем усложнили её, введя атомы кремния, германия или олова. Эти элементы тяжелее углерода и способны усиливать спин-орбитальное взаимодействие — квантовый эффект, облегчающий перенос энергии к иону металла. Полученные лиганды связали с ионами европия, одного из лантаноидов. В результате получились три комплекса, различавшиеся только присутствием кремния, германия или олова.

Учёные исследовали люминесценцию соединений при облучении ультрафиолетом. Наиболее эффективным оказался комплекс с кремнием: его квантовый выход (эффективность преобразования УФ-света в собственное свечение) был в полтора раза выше, чем у комплекса с оловом. Причина в том, что кремний одновременно усиливает поглощение света и не запускает побочный механизм потери энергии, который возникал в случае более тяжёлых германия и олова.

Перспективы для биомедицины и техники

Комплекс с кремнием перспективен не только из-за высокой яркости, но и из-за меньшей токсичности по сравнению с германием и оловом. Это открывает путь к использованию его в качестве безопасной светящейся метки в биомедицине — например, для наблюдения за движением клеток или доставкой лекарств в организме. «Мы показали, что можно управлять эффективностью переноса энергии, точечно изменяя структуру молекулы, — отметила руководитель проекта Евгения Вараксина, младший научный сотрудник лаборатории „Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов“ ФИАН. — Вместо синтеза большого числа похожих соединений достаточно заменить всего один атом, чтобы заметно повлиять на свойства материала».

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Dalton Transactions. В дальнейшем авторы планируют изучить, как дополнительные модификации наиболее успешного комплекса с кремнием повлияют на его люминесцентные характеристики, и попытаются создать ещё более эффективные светящиеся материалы. Помимо биомедицины, такие соединения востребованы при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов, где важна высокая яркость и стабильность свечения.