Металлорганические каркасные структуры (МОКС) — это класс кристаллических пористых материалов. Они состоят из металлических ионов или кластеров, связанных органическими мостиковыми лигандами.

Благодаря разнообразию комбинаций металлов и лигандов можно получать материалы с разными свойствами. Сейчас соединения на основе МОКС используют при производстве сенсоров, как катализаторы реакций и присадки к ракетному топливу, а также в качестве люминофоров — веществ, излучающих свет под воздействием ультрафиолета, электромагнитного поля или других факторов.

Учёные Санкт-Петербургского университета исследуют материалы на основе соединений лантаноидов. Они уже выяснили, как меняются форма и размер наночастиц в тераностике при добавлении различных лантаноидов. Химики Университета продолжают изучать и применять лантаноиды.

Лантаноиды — это 15 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы. Это металлы с атомными номерами от 57 до 71 (от лантана до лютеция).

Исследователи отмечают, что у ионов лантаноидов очень узкие линии спектра излучения. Из-за этого соединения лантаноидов могут быть использованы для создания новых ярких и контрастных люминесцентных красок и экранов мониторов.

Ионы плохо поглощают свет, но их можно объединить с органическим соединением, которое хорошо поглощает свет и передаёт его энергию иону. При правильном подборе условий такие гибриды будут светиться не менее ярко, чем полностью органические люминофоры, а цвет свечения будет более насыщенным и контрастным.

Новые люминесцентные металлорганические каркасные структуры могут использоваться в различных областях, таких как создание защитных элементов документов, датчиков, элементов экранов гаджетов и химических соединений для выявления опасных веществ.

Для синтеза использовались два иона: один люминесцентный (европий или тербий), а другой оптически инертный (иттрий, лантан, гадолиний или лютеций). Размер частиц удалось уменьшить благодаря применению ультразвука. Полученные МОКС имеют большую удельную поверхность, что важно при разработке люминесцентных сенсоров.

Ионы иттрия, лантана и гадолиния могут замещать ионы европия и тербия в кристаллической решётке.

Введение большого количества иона лютеция приводит к изменению структуры кристалла, которая зависит от метода синтеза. В результате может образоваться безводный, четырёхводный, десятиводный или 2,5-водный кристаллогидрат.

2,5-водные кристаллогидраты терефталата лютеция и смешанных терефталатов получены нами впервые, — рассказал руководитель научной группы Андрей Мерещенко.

Учёные СПбГУ нашли способ увеличить яркость свечения более чем в два раза. Для этого нужно частично заменить ионы европия и тербия на ионы гадолиния и лютеция.

В одном соединении, содержащем ионы тербия и лютеция в соотношении 1:9, квантовый выход составил 95%. То есть из 100 частиц, поглотивших ультрафиолетовый свет, 95 частиц испустили зелёный свет.

Специалисты Университета синтезировали и изучили новые соединения. Они также проанализировали, как связаны между собой структура, оптические и фотофизические свойства на уровне электронной структуры.

Химики СПбГУ предложили новый способ оценки процессов передачи световой энергии возбуждения на молекулярном уровне. Выяснилось, что квантовый выход люминесценции антенных комплексов зависит от двух параметров: насколько эффективно энергия передаётся с антенны на ион европия или тербия и насколько сильно тушится люминесценция ионов лантаноидов другими молекулами (например, молекулами воды в составе соединений).

Мы оценили, как лиганд-антенна принимает энергию ультрафиолетового излучения. Определили основные параметры соединения и рассчитали эффективность лиганда-антенны. Это позволило по-новому взглянуть на природу передачи энергии и определить факторы, влияющие на этот механизм. Мы приблизились к возможности его предсказания, — рассказал автор статьи, студент СПбГУ Олег Буторлин.

Новый подход будет полезен для изучения металлорганических каркасов с антенным механизмом передачи энергии. В дальнейшем они планируют использовать этот метод для исследования других подобных структур.

Результаты исследования опубликованы в цикле статей в научном журнале Molecules.

Изображение пресс-службе СПбГУ предоставил Андрей Мерещенко