Ученые научились управлять люминесценцией кристаллов
Ученые Санкт-Петербургского государственного и Томского политехнического университетов разработали метод для управления излучением металлорганических соединений. Этот подход позволит повысить эффективность светоизлучающих материалов за счет направленного использования нековалентных взаимодействий химических веществ.
Модель молекулы полученного люминофора представили на выставке II Конгресса молодых ученых — ключевого события этого года в рамках Десятилетия науки и технологий. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, были опубликованы в международном научном журнале ACS Omega.
Разработка современных энергосберегающих технологий — одно из важнейших направлений исследований в связи с постоянным ростом потребления электроэнергии жителями планеты. На текущий момент самым энергоэффективным источником света считаются органические светодиоды (OLED), которые используются в большинстве дисплеев всем известных электроприборов — от фитнес-браслетов до смартфонов, фотоаппаратов и телевизоров.
При этом одними из наиболее перспективных светоизлучающих материалов, используемых в изготовлении OLED-устройств, являются металлорганические соединения — химические соединения, в молекулах которых атом металла непосредственно связан с одним или несколькими атомами углерода. Такие соединения уже нашли применение в светоизлучающих слоях OLED-устройств, в люминесцентных сенсорах и биологических метках, используемых в медицине. Однако диоды синего свечения в таких устройствах служат меньше красных и зеленых, поэтому сегодня химики активно занимаются созданием новых эффективных источников видимого излучения.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно с химиками из ТПУ синтезировали люминесцирующий материал нового типа и нашли способ управления его излучением. Как отмечает руководитель исследования, доцент кафедры физической органической химии СПбГУ Михаил Кинжалов, зачастую оптические свойства металлорганических соединений определяются не только их молекулярной структурой, но и системой связей между молекулами. Так, молекулы вещества соединяются в супрамолекулярные ансамбли, а изменение взаимного расположения молекул в этой структуре может привести к изменению свойств всего материала, сделав его эффективнее.
В качестве основы для новых молекул ученые взяли органические соединения платины — в них атом металла и органический фрагмент работают как единая система, что приводит к улучшению оптических свойств. Чтобы увеличить силу свечения, необходимо увеличить жесткость вещества — этой цели удалось достичь за счет вовлечения молекул люминофора в супрамолекулярный ансамбль, построенный за счет межмолекулярного галогенного связывания атомов иода и хлора.
«Как стало ясно во время исследования, при замене одного органического растворителя на другой во время процесса кристаллизации можно получить люминофор с другими оптическими свойствами. Например, если заменить растворитель хлороформ на ацетонитрил, вместо зеленого люминофора мы получим оранжевый. При этом оба вещества будут иметь одинаковые состав и молекулярную структуру, а разница в цвете излучения объясняется разным взаимным расположением молекул в кристаллах и их взаимодействием друг с другом», — рассказал Михаил Кинжалов.
С помощью рентгеноструктурных исследований ученые установили, что в кристаллах оранжевого люминофора наблюдается межмолекулярное взаимодействие атомов платины двух соседних молекул, а в зеленом люминофоре такие «отношения» отсутствуют. Кроме того, химики СПбГУ обнаружили, что эффективность свечения оранжевого люминофора в 24 раза превосходит этот показатель у зеленого вещества. Эксперименты подтвердили, что повышение эффективности люминесценции носит систематический характер и обусловлено взаимодействием между атомами платины. Таким образом, изменяя условия кристаллизации вещества, химики могут управлять люминесценцией заданных веществ.
Однако, по словам руководителя исследования Михаила Кинжалова, универсального способа получения кристаллов люминофоров с заданными оптическими характеристиками пока не существует. Для этого необходимо больше экспериментальных данных о влиянии тех или иных нековалентных связей на свойства веществ. Ученые СПбГУ планируют создать технологию, которая позволит контролируемо управлять свечением веществ и тем самым осуществить переход к ресурсосберегающей энергетике за счет использования органических источников света. Отметим, что ранее ученые СПбГУ синтезировали люминесцентные наночастицы, которые помогут проводить медицинские исследования с контрастом.