Сингапурские ученые из Национального университета создали конструкцию молекул, которая увеличивает свечение органометаллических сцинтилляторов более чем в тысячу раз. Такой эффект достигнут за счет повторного поглощения экстинов в составе материала.
Идентификация и регистрация воздействия ионизирующего излучения, такого как рентгеновское, играет ключевую роль в медицине, экологическом мониторинге и астрономических исследованиях. Для этих целей используются люминесцентные материалы, которые преобразуют излучение в свечение, видимое в определенном диапазоне длин волн.
Сцинтилляторами называют люминесцентные вещества, которые преобразуют высокоэнергетические излучения в свет. В настоящее время наиболее эффективные сцинтилляторы обычно изготавливаются из керамики и перовскитов. Эти материалы отличаются сложностью и высокой стоимостью производить, эти материалы обладают токсичными свойствами, отличаются хрупкостью и нестабильностью в процессе эксплуатации. В настоящее время исследователи непрерывно ведут поиск новых, более надежных сцинтилляторов.
Фосфорорганические соединения представляют собой перспективную замену традиционным сцинтилляторам, благодаря своей экономичности в производстве и гибкости. Однако их эффективность в обнаружении рентгеновского излучения ограничена, поскольку они характеризуются низкой степенью поглощения.
Одним из преимуществ этих соединений является способность к образованию триплетных экситонов. Это квазичастицы, представляющие собой связанное состояние электрона и дырки. Спины электрона и дырки в триплете ориентированы параллельно друг другу, а общий спин квазичастицы равен единице. Такие частицы возникают в материале при поглощении излучения. Они присутствуют в материале, однако не могут быть полностью использованы из-за его электронной структуры.
Команда под руководством профессора Лю Сяогана (Liu Xiaogang) решила эти проблемы, используя сцинтилляторы, содержащие редкоземельные соединения на основе лантана для повышения эффективности поглощения рентгеновского излучения. Кроме того, в сцинтиллятор были добавлены органические лиганды — дополнительные компоненты, образующие структуру материала. Они помогли собрать триплетные экситоны и преобразовать их энергию в видимое излучение.
Разработанный исследователями дизайн молекул повысил эффективность молекулярных сцинтилляторов. Увеличение люминесценции материала в 1300 раз стало возможным благодаря захвату энергии на органических лигандах. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature Photonics.
Органолантанидные соединения, разработанные исследователями, демонстрируют значительную устойчивость к воздействию высокоэнергетического излучения и превосходят существующие органические сцинтилляторы и неорганические кристаллы по эффективности преобразования рентгеновского излучения. Физики смогли добиться полного спектра рентгеновской сцинтилляции — материал излучает от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Кроме того, их методология позволяет точно регулировать время жизни созданного излучения.