Поиск - новости науки и техники

Звездный час лантаноидов. Грядет время сверхтонких телевизоров и вкусных парниковых овощей.

Европий, самарий, тулий… Под такими почти географическими названиями скрываются лантаноиды, которым “не хватило” места в основной части Периодической таблицы Менделеева, и для них специально отвели отдельный подвальчик внизу. Но в наше время эти “аутсайдеры” нередко становятся не менее востребованными наукой и практикой, нежели элементы верхних этажей таблицы. Чем они интересны? Например, тем, что благодаря им электронные устройства могут уменьшиться до размеров молекулы, а плоские ЖК-мониторы станут еще тоньше. Время такого технического изящества приближают и наши ученые. В частности, профессор кафедры физической и коллоидной химии и заведующий кафедрой технологии косметических средств Казанского национального исследовательского технологического университета доктор химических наук Андрей КНЯЗЕВ. Свидетельство тому – его работа, посвященная уникальным полифункциональным гибридным материалам для молекулярной электроники и фотоники. Наш корреспондент пообщался с молодым ученым – обладателем гранта Президента РФ.

– Молекулярная электроника – новое направление в технологии материалов для электронной техники, – рассказывает Андрей Александрович. – Основная ее задача – миниатюризация элементов электронного устройства и приближение к размерам молекул. Ярким примером такого устройства можно назвать органические светодиоды, или OLED, которые сейчас приходят на смену известным жидкокристаллическим технологиям в производстве различного рода дисплеев. Толщина OLED около 200 нанометров, значит, телевизор, матрица которого в основном состоит из органических светодиодов, будет значительно тоньше жидкокристаллического. 
Электроника, по сути, очень схожа с фотоникой. Только в электронике все процессы происходят под действием электронов, или, другими словами, электричества, а в фотонике – под действием кванта света. 
– Какие материалы используются в этих областях? 
– Несомненный интерес в качестве перспективных материалов для молекулярной электроники и фотоники представляют соединения лантаноидов. Лантаноидосодержащие материалы обладают рядом уникальных свойств. В первую очередь, это узкая полоса излучения и возможность с помощью разных комбинаций ионов лантаноида получать практически любой цвет – от синего до ближнего инфракрасного (тулий – голубой, тербий – зеленый, европий – красный, диспрозий – желтый, самарий – оранжевый, эрбий и иттербий – инфракрасный). Можно добиться даже белого цвета. Благодаря таким свойствам, эти материалы уже нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Однако основные недостатки известных соединений лантаноидов, препятствующие их более широкому использованию, – это низкая фото- и термостабильность и кристаллизуемость, затрудняющая получение пленочных материалов. 
Наша группа синтезировала более 200 новых соединений лантаноидов с уникальной молекулярной структурой. Преимущество этих соединений по сравнению с зарубежными аналогами – доказанная фото- и термостабильность, отсутствие кристаллизации, хорошая растворимость в органических растворителях и низкая температура плавления. Органическое окружение ионов лантаноидов подобрано так, чтобы обеспечивать мощный перенос энергии. Наши работы проводятся в рамках развития научного направления “Металлсодержащие жидкие кристаллы или металломезогены”, зародившегося еще в конце 1970-х. Один из пионеров этого направления в России – профессор Юрий Геннадьевич Галяметдинов, под руководством которого я защитил кандидатскую и докторскую диссертации. Фундаментальные основы, заложенные в течение последних 30 лет, позволили в наше время серьезно продвинуться в плане синтеза и практического применения металломезогенов и подойти к созданию на их основе полифункциональных материалов с уникальными свойствами. Теперь в зависимости от прикладной задачи мы можем создавать пленочные материалы как из растворов комплексов, так и при их плавлении. Можем напылять комплексы в виде пленочных покрытий на стекло, полимеры и другие технологические материалы. И наконец, мы внедряем комплексы в различные полимерные матрицы. То есть мы адаптируем исходные производные лантаноидов для создания на их основе полифункциональных материалов и различных устройств, востребованных во многих областях науки и техники. Совместно с сотрудниками лаборатории быстропротекающих молекулярных процессов кафедры физической и коллоидной химии КазНЦ РАН мы разработали не имеющую отечественных и мировых аналогов методику по созданию пленочных материалов с использованием лантанидомезогенов. Их преимущество в том, что структура пленок настраивается на стадии приготовления – благодаря изменению толщины и скорости охлаждения расплавов комплексов. По-разному настраивая структуру пленок, мы можем манипулировать оптическими свойствами, например полосой поглощения. 
– Зачем нужно управлять полосой поглощения?
– Дело в том, что в оптоэлектронике полоса поглощения большинства пленочных материалов ограничена ультрафиолетовым (УФ) диапазоном. Это вынуждает использовать в составе оптоэлектронных устройств дорогие УФ-источники света для возбуждения люминесценции и кварцевую оптику. Наша методика позволяет настроить структуру материала таким образом, чтобы он эффективно поглощал свет как в ультрафиолетовом, так и в видимом диапазоне. В результате появляется возможность использовать дешевые источники возбуждения, например обычные светодиоды и пластиковые оптические элементы. В итоге мы сильно выигрываем в стоимости готового устройства.
– Каких результатов вы уже добились?
– Мы разработали и экспериментально протестировали пленки на основе комплекса европия в качестве многоразового люминесцентного термосенсора – устройства, изменяющего яркость люминесценции в зависимости от температуры. Такие сенсоры найдут применение, например, в космической и авиационной областях, в биологии, биомедицине, в автомобильной и электронной технике. Они нужны для контроля распределения температурного рельефа по поверхности различных объектов. Сенсор работает в диапазоне 25-600С. 
Важно отметить, что структура пленки настроена так, чтобы она эффективно поглощала свет в широком диапазоне, включая видимый. Это позволяет использовать для возбуждения люминесценции дешевый светодиод с длиной волны 405 нанометров и средней мощностью 2 мВт. Мы создали принципиально новые люминесцентные сенсоры УФ-излучения, работающие на эффекте повышения яркости люминесценции под действием такого излучения. Сенсор может быть использован, например, для мониторинга защитных свойств озонового слоя Земли. Преимущество его перед аналогами – в многоразовом действии и уникальной способности “помнить” измеренное значение на протяжении нескольких месяцев. Еще одно актуальное применение наших пленок – в качестве материалов для перезаписываемых оптических дисков высокой плотности и оптических решеток. 
Нам удалось продемонстрировать возможность создания принципиально новых люминесцентных сенсоров кислорода. Их работа основана на новом эффекте увеличения (на порядки) яркости люминесценции под действием УФ-облучения в присутствии кислорода. Такие сенсоры предназначены для люминесцентного определения концентрации кислорода в окружающей атмосфере. Наши комплексы были апробированы в качестве компонентов органических светодиодов. Получены лабораторные прототипы OLED на основе комплекса самария. Хорошая смешиваемость с полимером позволила увеличить концентрацию излучающего иона в два раза по сравнению с известными аналогами и тем самым повысить яркость OLED. 
Результаты наших исследований опубликованы в высокорейтинговых журналах, таких как Advanced Materials, Inorganic Chemistry, European Journal of Inorganic Chemistry, Journal of Luminescence, Optical Materials, Liquid Crystals, и многих других.
– Где еще возможно применение ваших соединений?
– В 2013 году мы запатентовали материал на основе комплекса европия. Этот материал преобразует УФ-излучение в яркую оранжево-красную люминесценцию. Излучение иона европия, попадающее в область эффективного поглощения хлорофилла зеленого листа (600-630 нанометров), способствует ускорению роста растений и созревания урожая, повышению количества урожая и увеличению содержания полезных витаминов. Материал не разрушается под действием ультрафиолета и поэтому может найти применение в сельском хозяйстве для покрытия парников и теплиц, чтобы трансформировать вредное для растений УФ-излучение в полезный для их роста красный свет. Преимущество такого материала перед известными аналогами в том, что мы можем получать не толстую пленку, которая обычно используется в парниках, а напылять очень тонкое полимерное покрытие на стекло или полимер. При этом содержание комплекса в полимере составляет сотые доли процента и расход самого материала уменьшается в разы. Такие материалы могут быть востребованы в промышленных масштабах крупными тепличными хозяйствами.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено А.Князевым

Нет комментариев