Учёные повысили яркость люминесценции комплексов европия за счёт замены атома и управления переносом энергии

Учёные синтезировали три новых комплекса европия и нашли способ управлять яркостью их люминесценции. Такие соединения применяют в биологии и медицине для визуализации тканей и контроля распределения лекарств. Они также используются при создании энергоэффективных дисплеев и светодиодов. Исследование поддержал Российский научный фонд. Результаты исследования опубликованы в журнале Dalton Transactions.

Люминесцентные материалы светятся под действием внешнего излучения. Из них создают светодиоды для экранов телефонов и компьютеров. Их также используют как метки для контроля опухолей и доставки лекарств в живых тканях.

Перспективными материалами считаются комплексы лантаноидов. Эта группа включает 15 металлов с особым строением электронной оболочки. Оно определяет характерный спектр свечения многих ионов лантаноидов. При этом сами элементы плохо поглощают свет. Поэтому химики связывают их с органическими молекулами — лигандами. Лиганды поглощают энергию и передают её металлу.

Эффективность таких комплексов трудно предсказать. Даже небольшое изменение строения лиганда может изменить свойства свечения. Поэтому учёные ищут способы точной настройки люминесценции.

Исследователи из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН синтезировали три новых органических лиганда. За основу они взяли известную молекулу с атомами кислорода и фтора, а также ароматическим фрагментом. Затем химики добавили в неё фрагменты с атомами кремния, германия или олова. Эти элементы тяжелее углерода. Они могут усиливать спин‑орбитальное взаимодействие — квантовый эффект, который облегчает перенос энергии к иону металла. Полученные лиганды учёные связали с ионами европия. В результате они получили три комплекса. Они отличались только элементом в составе лиганда: кремнием, германием или оловом.

Авторы исследования изучили свойства соединений при облучении ультрафиолетом. Самую высокую эффективность показал комплекс с кремнием. Его квантовый выход люминесценции оказался в полтора раза выше, чем у комплекса с оловом. Кремний усиливает поглощение света и не запускает механизм потери энергии. Такой механизм возникал в комплексах с более тяжёлыми атомами германия и олова.

Комплекс с кремнием также считают более подходящим для биомедицинских задач. Кремний безопаснее германия и олова. Соединение можно использовать как светящуюся метку для наблюдения за движением клеток и доставкой лекарств в организме.

Руководитель проекта, младший научный сотрудник лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Физического института имени П. Н. Лебедева РАН Евгения Вараксина сообщила, что точечная замена одного атома позволила изменить перенос энергии в молекуле и повысить яркость материала. В дальнейшем исследователи планируют изучить дополнительные изменения комплекса с кремнием, которые должны показать, можно ли дополнительно повысить люминесцентные характеристики этого металла.