Соединения европия улучшили чувствительность светящихся термометров

Ученые синтезировали несколько комплексов на основе европия и иттербия, излучающих свет в чрезвычайно узком красном и инфракрасном диапазоне. Это свойство можно использовать в люминесцентных — то есть светящихся — термометрах, чтобы с их помощью делать измерения с точностью до десятой доли градуса в промышленности, химическом производстве и наукоемких отраслях. Одни из полученных соединений подойдут для работы при сверхнизких (от -193°С до -73°С), другие — при высоких (до 400°С) температурах Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.

Бесконтактные термометры все шире применяются в самых различных областях — в медицине для построения температурных 3D-карт органов и отдельных скоплений клеток, в технике — на производстве двигателей. Они позволяют быстро и точно определять температуру как неподвижных, так и движущихся объектов в реальном времени. В основе этих устройств лежит явление люминесценции — свечения веществ-люминофоров, — интенсивность которой может меняться в зависимости от температуры.

В качестве люминофоров для термометрии наиболее удобно использовать соединения лантаноидов — химических элементов, которые испускают свет в очень узком диапазоне. Применяя соединения, которые изменяют интенсивность свечения в зависимости от температуры, можно измерять ее с точностью до десятых долей градуса. В некоторых случаях, когда используются высокие температуры (до 400°С), например, при производстве двигателей и газопроводов, бесконтактные оптические термометры — практически единственный прибор, подходящий для измерений. Однако на сегодняшний день термически устойчивых, интенсивно светоизлучающих и при этом температурно-зависимых веществ известно очень мало, поэтому исследователи получают новые соединения, подходящие под эти параметры.

Группа ученых из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) синтезировала несколько комплексов лантаноидов, среди которых были комплексы европия и иттербия, излучающих свет в красном и инфракрасном диапазоне. В их составе, помимо атомов лантаноидов, были органические остатки (лиганды), которые обеспечили как температурную зависимость люминесценции, так и устойчивость к нагреванию, а также подвижность ионов в электрическом поле. Последнее свойство позволило получить на основе комплексов органические светодиоды, которые в дальнейшем можно использовать в качестве компонентов дисплеев и биомедицинских приборов. Комплексы европия были получены в качестве источников красного света, а комплексы иттербия — как инфракрасные излучатели.

Исследователи поместили эти вещества в прибор, который измерял интенсивность свечения в зависимости от температуры. Эксперименты показали, что соединения иттербия изменяют интенсивность свечения только при температурах от 27°С до 327°С, благодаря чему они могут использоваться в высокотемпературных термометрах. В то же время комплексы европия с красным излучением продемонстрировали чувствительность в диапазоне температур от -193°С до -73°С. При этом интенсивность свечения таких соединений оказалась очень высокой — она изменялась вплоть до 7% при повышении или понижении температуры на 1°С, что позволяет улавливать изменение температуры с точностью до 0,1°С.

«То, что свечение иттербия не меняется при сверхнизких температурах, весьма интересно. Этот комплекс можно будет использовать в качестве "‎стандарта"‎ при проведении испытаний. Например, если измерять, как меняется интенсивность свечения европия относительно остающегося неизменным свечения иттербия, можно избежать дополнительной калибровки измерительного оборудования. Устройства на основе лантаноидов с инфракрасным излучением также можно будет применять в биомедицине благодаря способности проходить сквозь ткани. Кроме того, эти комплексы можно использовать в составе органических светодиодов. Благодаря тому, что у них узкие полосы излучения, соединения лантаноидов повышают чистоту цвета, делая изображение ярче и насыщеннее», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентина Уточникова, доктор химических наук, профессор Факультета наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.