В России научились управлять яркостью свечения молекулярных комплексов

Материалы, способные светиться (люминесцировать) под действием внешнего излучения, широко используются в технике и медицине. Например, из них делают светодиоды для дисплеев телефонов и компьютеров, а также «метки» для отслеживания опухолей и транспортировки лекарств в живых тканях.

Перспективными люминесцентными материалами считаются комплексы лантаноидов — группы из 15 металлов, имеющих уникальную электронную оболочку, придающую большинству ионов лантаноидов характерный набор спектральных линий (спектр свечения). Однако эти элементы плохо поглощают свет, поэтому химики «пришивают» к ним органические молекулы (лиганды), которые улавливают энергию и передают ее металлу. При этом предсказать, насколько эффективным будет получившийся комплекс, очень сложно: даже небольшое изменение в строении лиганда может неожиданным образом повлиять на итоговое свечение. Поэтому ученые стремятся найти способ настраивать люминесценцию таких соединений.

Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) синтезировали три новых органических лиганда для светящихся материалов. За основу авторы взяли известную органическую молекулу, содержащую кислород и фтор, а также ароматический фрагмент. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dalton Transactions.

Химики усложнили этот молекулярный каркас, введя в него фрагменты с атомами кремния, германия или олова. Поскольку эти элементы гораздо тяжелее углерода, они могут усиливать спин-орбитальное взаимодействие — квантовый эффект, который частично снимает запреты на некоторые электронные переходы и облегчает перенос энергии к иону металла.

Ученые связали полученные лиганды с ионами европия — одного из лантаноидов. В результате получилось три новых комплекса, которые отличались друг от друга только тем, какой именно элемент — кремний, германий или олово — присутствовал в лиганде.

Авторы исследовали люминесцентные свойства полученных соединений при облучении ультрафиолетом, чтобы понять, как на свечение влияет замена одного элемента на другой. Среди трех новых соединений наиболее эффективная люминесценция наблюдалась у комплекса с кремнием: квантовый выход люминесценции (эффективность преобразования энергии ультрафиолета в собственное свечение) у него был в полтора раза выше, чему у комплекса с оловом. Это объясняется тем, что кремний, с одной стороны, усиливает поглощение света, а с другой — не запускает побочный механизм потери энергии, который возник в случае двух других более тяжелых атомов — германия и олова.

Алексей Ферулев в процессе измерения люминесцентных свойств новых комплексов / © Евгения Вараксина / Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН

Интересно, что комплекс с кремнием наиболее перспективен не только из-за яркого свечения, но и потому, что кремний считается более безопасным по сравнению с германием и оловом. Это позволит использовать новый комплекс в качестве светящейся метки для биомедицины — например, для наблюдения за движением клеток и доставкой лекарств в организме.

«Мы показали, что можно управлять эффективностью переноса энергии в молекуле и повысить яркость люминесценции материала, точечно изменяя структуру молекулы. Вместо синтеза большого числа похожих соединений достаточно заменить всего один атом, чтобы заметно повлиять на эффективность передачи энергии и свойства материала. В дальнейшем мы планируем изучить, как дополнительные модификации наиболее успешного комплекса с кремнием повлияют на его люминесцентные характеристики и удастся ли с их помощью создать еще более эффективные светящиеся материалы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгения Вараксина, младший научный сотрудник лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» Физического института имени П.Н. Лебедева РАН.