Ученые синтезировали несколько комплексов на основе европия и иттербия, излучающих свет в чрезвычайно узком красном и инфракрасном диапазоне. Это свойство можно использовать в люминесцентных — то есть светящихся — термометрах, чтобы с их помощью делать измерения с точностью до десятой доли градуса в промышленности, химическом производстве и наукоемких отраслях. Одни из полученных соединений подойдут для работы при сверхнизких (от -193°С до -73°С), другие — при высоких (до 400°С) температурах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.
Фотография люминесценции комплекса европия при возбуждении ультрафиолетовым светом при охлаждении жидким азотом (-196°С) и при комнатной температуре (20°С). Источник: Валентина Уточникова
Бесконтактные термометры все шире применяются в самых различных областях — в медицине для построения температурных 3D-карт органов и отдельных скоплений клеток, в технике — на производстве двигателей. Они позволяют быстро и точно определять температуру как неподвижных, так и движущихся объектов в реальном времени. В основе этих устройств лежит явление люминесценции — свечения веществ-люминофоров, — интенсивность которой может меняться в зависимости от температуры.
В качестве люминофоров для термометрии наиболее удобно использовать соединения лантаноидов — химических элементов, которые испускают свет в очень узком диапазоне. Применяя соединения, которые изменяют интенсивность свечения в зависимости от температуры, можно измерять ее с точностью до десятых долей градуса. В некоторых случаях, когда используются высокие температуры (до 400°С), например, при производстве двигателей и газопроводов, бесконтактные оптические термометры практически единственный прибор, подходящий для измерений. Однако на сегодняшний день термически устойчивых, интенсивно светоизлучающих и при этом температурно-зависимых веществ известно очень мало, поэтому исследователи получают новые соединения, подходящие под эти параметры.
Группа ученых из Московского государственного университета имени М В. Ломоносова (Москва) синтезировала несколько комплексов лантаноидов, среди которых были комплексы европия и иттербия, излучающих свет в красном и инфракрасном диапазоне. В их составе, помимо атомов лантаноидов, были органические остатки (лиганды), которые обеспечили как температурную зависимость люминесценции, так и устойчивость к нагреванию, а также подвижность ионов в электрическом поле. Последнее свойство позволило получить на основе комплексов органические светодиоды, которые в дальнейшем можно использовать в качестве компонентов дисплеев и биомедицинских приборов. Комплексы европия были получены в качестве источников красного света, а комплексы иттербия — как инфракрасные излучатели.
Исследователи поместили эти вещества в прибор, который измерял интенсивность свечения в зависимости от температуры. Эксперименты показали, что соединения иттербия изменяют интенсивность свечения только при температурах от 27°С до 327°С, благодаря чему они могут использоваться в высокотемпературных термометрах. В то же время комплексы европия с красным излучением продемонстрировали чувствительность в диапазоне температур от -193°С до -73°С. При этом интенсивность свечения таких соединений оказалась очень высокой — она изменялась вплоть до 7% при повышении или понижении температуры на 1°С, что позволяет улавливать изменение температуры с точностью до 0,1°С.
«То, что свечение иттербия не меняется при сверхнизких температурах, весьма интересно. Этот комплекс можно будет использовать в качестве «стандарта» при проведении испытаний. Например, если измерять, как меняется интенсивность свечения европия относительно остающегося неизменным свечения иттербия, можно избежать дополнительной калибровки измерительного оборудования. Устройства на основе лантаноидов с инфракрасным излучением также можно будет применять в биомедицине благодаря способности проходить сквозь ткани. Кроме того, эти комплексы можно использовать в составе органических светодиодов. Благодаря тому что у них узкие полосы излучения, соединения лантаноидов повышают чистоту цвета, делая изображение ярче и насыщеннее», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентина Уточникова, доктор химических наук, профессор Факультета наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда