Конгресс молодых ученых: химики СПбГУ научились управлять люминесценцией кристаллов

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.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, были опубликованы в международном научном журнале ACS Omega.

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.

Разработка способа управления светящимися способностями кристаллов металлорганических соединений проводилась в рамках гранта Российского научного фонда. Исследования проводились на оборудовании ресурсных центров Научного парка СПбГУ: «Магнитно-резонансные методы исследования», «Рентгенодифракционные методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Оптические и лазерные методы исследования вещества».

«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.