В современном мире люминесцентные материалы используются очень широко. Однако ученые ищут все новые способы их применения — в медицинских разработках, при создании гаджетов, для защиты ценных бумаг и документов.
Справка
Люминесценция (от лат. "lumen" ("luminis") — "свет" — и "escentia" — суффикс, обозначающий слабое действие) — свечение газа, жидкости или твердого тела, обусловленное не нагревом тела, а нетепловым возбуждением его атомов и молекул.
Органический светодиод (англ. "organic light-emitting diode" (OLED) — "органический светоизлучающий диод") — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.
В сферу интересов сотрудников химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова входит изучение соединений лантанидов с органическими лигандами. Лантаниды — это 14 элементов, вынесенных в таблице Менделеева в отдельную группу. Свойства самого лантана, по словам ученых, не особенно интересны, но координационные соединения следующих за ним лантанидов могут находить самые разные применения, например за счет своих магнитных и люминесцентных свойств.
Одна из актуальных областей применения, над которой трудятся молодые ученые на химическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова,— медицинская биовизуализация. Задача исследователей — получить люминесценцию внутри живого организма путем воздействия на введенный люминесцентный маркер возбуждающего видимого или ультрафиолетового света. Главная проблема — подобрать ярко люминесцирующее нетоксичное вещество, излучающее в длинноволновой области. У синего света, например, короткие волны, у зеленого — средние, дальше идут желтый и оранжевый, а самые длинные — у красного, за которым следует инфракрасный (ИК) диапазон, не видимый человеческим глазом, но хорошо детектируемый спектрометром. Чем длиннее волна, тем больше шансов, что сигнал выйдет наружу. Еще более важно, если люминесценция несет дополнительную информацию — например, если люминофор зацепится за какой-то конкретный орган или опухоль. При этом необходимо, чтобы все вводимые маркеры двигались по организму и детектировались одновременно. Для этого используется раствор наночастиц люминофора в воде или других биоинертных растворителях.
Конкуренция в сфере разработки и массового применения люминофоров очень высока, но ученые не сдаются. На химическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова создают люминофоры, которые меняют цвет свечения в зависимости от температуры. Поскольку этот эффект обратим, его можно применять разными способами, например для защиты ценных бумаг. Такая "двухцветная" степень защиты обеспечивает гораздо более высокий уровень безопасности, чем стандартные люминофоры, которые используются сегодня.
На химфаке разрабатывают и органические светодиоды (OLED), которые используются для создания экранов телефонов, телевизоров и компьютеров. Ученые сотрудничают с крупными производителями техники, заинтересованными в удешевлении технологий и улучшении характеристик выпускаемой продукции.
Как рассказала научный сотрудник химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, руководитель группы люминесценции, кандидат химических наук Валентина Уточникова, ее команда работает в основном в двух направлениях: создает материалы для органических светодиодов и материалы для биовизуализации.
Органический светодиод — это устройство, которое светится под напряжением. Главным в OLED является люминесцентный материал, который светится при пропускании через него электрического тока. "Сегодня самое распространенное применение этой технологии — OLED-дисплеи для мобильных телефонов, хотя возможностей у нее куда больше: OLED — это энергоэффективность, высокое разрешение, широкие углы обзора. Эти дисплеи могут быть гибкими, их можно даже в рулон свернуть. Сейчас все, кроме экранов телефонов,— дизайнерские продукты, потому что цена на них пока очень высока для массового производства, но, я думаю, уже скоро мы будем освещать квартиры с помощью люминесцирующих обоев, способных менять цвет",— рассказывает Валентина Уточникова.
По ее словам, к материалам для OLED есть ряд дополнительных требований. Например, электрический ток должен переводить материал в возбужденное состояние. Поэтому материал должен быть в виде пленки — тонкой, гладкой и сплошной. Если в пленке будут разрывы, ток потечет мимо — электролюминесценции не будет. Большая шероховатость влечет неоднородность электрического поля: будет пробой. Если пленка толстая, то токи будут слишком высокие. Электроны в материале должны обладать подвижностью, иначе ток вообще не потечет. "Все эти требования мы пытаемся соблюсти, не потеряв эффективности люминесценции. Задача небанальная",— констатировала руководитель группы люминесценции.
Что касается биовизуализации, то ученые совсем недавно начали работать в этой высококонкурентной области, но уже дошли до клеточных тестирований. Они не только создают новые нетоксичные соединения, которые хорошо люминесцируют в клетках, но и развивают эту область диагностики. Например, пытаются совместить биовизуализацию с термометрией. Если при изменении температуры в физиологическом диапазоне (+35-42°С) изменяется спектр люминесценции, то, детектируя его, можно бесконтактно измерять температуру. Самая высокая чувствительность такого термометра в мире сейчас достигнута в группе Валентины Уточниковой.
Валентина Уточникова: люминесцентная термометрия важна для медицины
BUSINESS GUIDE: Расскажите, пожалуйста, где могут применяться ваши разработки?