Cer, jeden z popularniejszych pierwiastków z grupy lantanowców, dotąd kojarzony był przede wszystkim z emisją światła niewidocznego dla ludzkiego oka – w zakresie ultrafioletowym. Jego elektrony z orbit 4f są mało podatne na wpływy otoczenia, co sprawia, że ich luminescencja jest trudna do modyfikacji. Jednak zespół badawczy z HSE University i Rosyjskiej Akademii Nauk wykazał, że odpowiednio zaprojektowane środowisko chemiczne może całkowicie zmienić właściwości świetlne takich pierwiastków.
Czytaj też: Ten pierwiastek odmieni losy światowej energetyki. Japończycy dokonali niemożliwego
Dzięki precyzyjnemu otoczeniu jonów metali przez organiczne ligandy – cząsteczki kontrolujące geometrię i właściwości związku – badacze byli w stanie przeprogramować mechanizm emisji energii. Cer, który dotąd świecił w zakresie 300-400 nanometrów (UV), w nowych kompleksach zaczął emitować światło sięgające aż 655 nanometrów – w pełni widzialny, czerwono-żółty zakres widma.
Naukowcy nauczyli cer świecić na żółto
Osiągnięcie to nie jest tylko sztuczką z kolorami. Luminescencja pierwiastków ziem rzadkich to zjawisko głęboko zakorzenione w ich strukturze atomowej. Kiedy atom pochłania energię, np. ze światła UV, elektron może przeskoczyć na wyższy poziom energetyczny. Powrót do stanu podstawowego skutkuje emisją światła, której długość fali jest ściśle powiązana z różnicą poziomów energetycznych.
Czytaj też: Nowy pierwiastek na horyzoncie. Unibil może zmienić oblicze chemii
W przypadku ceru i innych lantanowców emisja pochodzi zwykle z przejść elektronów między wewnętrznymi orbitalami 4f. Są one tak głęboko osadzone w strukturze atomu, że zewnętrzne czynniki mają na nie minimalny wpływ. Nowe badania pokazują jednak, że jeśli uda się “wciągnąć” w proces także bardziej podatne orbitale 5d – których energia może być regulowana przez pole elektrostatyczne ligandów – to cały mechanizm emisji można radykalnie zmienić.
Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu trzech anionów cyklopentadienylowych wokół jonu metalu, naukowcy stworzyli specyficzne pole, które obniżyło energię poziomów 5d. W rezultacie możliwe stało się przekazanie energii z ligandu najpierw do orbitalu 5d, a dopiero potem – do właściwego poziomu 4f, co radykalnie zmieniło charakter luminescencji.
Jak podkreśla Daniil Bardonow, student studiów magisterskich na Wydziale Chemii HSE, wcześniej obserwowano już pojedyncze przypadki zmiany koloru emisji światła w lantanowcach, jednak brakowało zrozumienia, dlaczego tak się dzieje. Tym razem zespół nie poprzestał na jednym związku – zsyntetyzowano całą serię kompleksów ceru, prazeodymu i terbu, obserwując ich właściwości i szukając wzorców. Dzięki temu możliwe stało się nie tylko opisanie mechanizmu, ale również jego świadome projektowanie.
Możliwość kontroli koloru i jasności emisji światła z poziomu projektowania chemicznego otwiera ogromne możliwości w rozwoju nowoczesnych technologii. Od ekranów OLED i wyświetlaczy o regulowanym nasyceniu barw, przez nowej generacji diody LED, aż po precyzyjne systemy laserowe – wszystko to może skorzystać z materiałów, które świecą dokładnie tak, jak tego potrzebujemy.
Ponadto precyzyjna luminescencja ma ogromne znaczenie w sensorach chemicznych, medycynie (np. obrazowaniu fluorescencyjnym), a także w nanotechnologii. Odkrycie rosyjskich badaczy może więc znaleźć zastosowanie nie tylko w laboratoriach, ale także w codziennych technologiach przyszłości.
Badanie, którego wyniki opublikowano w czasopiśmie Optical Materials, stanowi ważny krok w kierunku świadomego projektowania właściwości materiałów opartych na lantanowcach. To kolejny dowód na to, że nawet pozornie ustalone i przewidywalne właściwości chemiczne można zmieniać, jeśli tylko pozna się ich fundamenty.