Ученые создали бесконтактные нанотермометры с исключительной чувствительностью

Ученые предложили новые люминесцентные нанотермометры на основе редкоземельных ионов тербия и европия. По изменению интенсивности их свечения можно бесконтактно определять температуру от -150 до 200°С. Предложенный принцип, основанный на явлении переноса энергии между двумя оптически активными центрами, позволяет улучшить тепловую чувствительность сенсора и проводить измерения с точностью до десятых долей градуса. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ) и опубликованного на страницах Journal of Alloys and Compounds, будут полезны для контроля температуры устройств, функционирующих в экстремальных условиях.

В самых разнообразных отраслях производства — от металлургии и химической промышленности до медицины и молекулярной биологии — температура выступает одним из наиболее важных параметров, который влияет на свойства материалов и протекание многих процессов. Наиболее часто для точного измерения температуры используют контактные термометры, которые необходимо непосредственно подносить к анализируемой поверхности или опускать в интересующую среду. Например, к устройствам такого типа относятся ртутные термометры, которыми измеряют температуру человеческого тела.

Не всегда контактные термометры применимы: они не могут использоваться для микро- и нанообъектов, а также не работают в условиях высокого давления или агрессивной окружающей среды. Поэтому ученые разработали альтернативу традиционным датчикам — бесконтактные оптические термометры. Такие устройства состоят из материалов, способных светиться при поглощении излучения с определенными длинами волн. Принцип их работы заключается в том, что спектр люминесценции меняется даже при незначительном нагревании и охлаждении, благодаря чему температуру можно довольно точно измерить.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали люминесцентные термометры на основе оксидных наночастиц, активированных редкоземельными ионами тербия и европия. Первый из них испускает ярко-зеленое излучение, а второй — красное. Кроме того, ионы тербия способны передавать энергию ионам европия, увеличивая интенсивность их люминесценции. Это свойство позволило ученым использовать такую пару для люминесцентной термометрии, поскольку интенсивность люминесценции ионов тербия (зеленое свечение) и европия (красное свечение) изменяется даже при небольшом изменении температуры.

Синтез люминесцентных частиц проводился с помощью разновидности золь-гель метода, разработанной членами научного коллектива проекта. Размер полученных частиц составил менее ста нанометров, что позволяет проводить определение температуры с субмикронным пространственным разрешением. Исследователи измерили спектры люминесценции полученных наночастиц, а затем изучили, как они изменяются при повышении и понижении температуры. Оказалось, что интенсивность люминесценции ионов тербия при нагревании уменьшается из-за усиления процесса передачи энергии ионам европия и температурного тушения. Интенсивность люминесценции ионов европия при увеличении температуры изменялась немонотонно: она возрастала при температурах ниже 370°С, а затем снижалась. Такое поведение связано с одновременным влиянием двух разнонаправленных факторов: переноса энергии с ионов тербия и температурного тушения.

Поскольку каждый из активных центров продемонстрировал собственную динамику изменения люминесценции, ученые математически описали ее зависимость от температуры для ионов тербия и европия и тем самым сделали возможным бесконтактно оценивать температуру в диапазоне от -150 до 200°С с точностью до десятых долей градуса.

«Синтезированные нами нанотермометры можно использовать в широком диапазоне температур, что существенно расширяет область их применения. При этом их тепловая чувствительность при температуре более 150оС выше максимально достижимой чувствительности любых больцмановских люминесцентных термометров, благодаря чему можно существенно повысить точность определения температуры. В дальнейшем мы будем работать над последующим увеличением чувствительности, повысив эффективность переноса энергии между активными центрами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Колесников, кандидат физико-математических наук, специалист ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» СПбГУ.