Химики из Института металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева и Нижегородского государственного университета выявили повышенную устойчивость к ионизирующему излучению у металлоорганических комплексов лантаноидов — редкоземельных металлов. Они могут светиться при облучении ультрафиолетом, проявлять магнетизм или превращать световую энергию в электричество.
Фото: Сергей Киселев, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Сергей Киселев, Коммерсантъ / купить фото
Это явление обнаружено впервые и в будущем поможет при создании более устойчивой техники для работы в космосе, на атомных электростанциях и на территориях, зараженных радиацией. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
«Металлоорганические материалы на основе редкоземельных металлов обладают ценными полупроводниковыми и люминесцентными свойствами. Это обеспечит создание надежных приборов контроля и отображения информации, а также длительного освещения для работы в условиях повышенной радиации,— говорит руководитель проекта Михаил Бочкарев, профессор, доктор химических наук, заведующий лабораторией химии редкоземельных элементов Института металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева.— Более того, такая высокая радиационная устойчивость поможет в будущем разработать установки для прямого преобразования ядерной энергии в электричество. Это позволит создать атомные электростанции нового поколения».
Ионизирующее излучение способно создавать заряженные частицы, или ионы, из незаряженных атомов или молекул. Оно представляет собой потоки гамма-квантов, электронов, нейтронов и осколков распавшихся атомных ядер. Такое излучение способно отрывать электроны от атомов, сдвигать и разрушать их.
В организме это приводит к образованию радикалов и активных форм кислорода, которые ускоряют старение и могут разрушать клеточные структуры.
Излучение воздействует и на кристаллические соединения в составе электронной техники: могут изменяться свойства всего вещества, что приводит к неточностям и неисправностям в функционировании электроники. Сейчас для работы в условиях ионизирующего излучения используются в основном приборы с неорганическими материалами. Продолжительность надежной службы таких устройств в условиях облучения ограничена. Разработка новых материалов, устойчивых к радиации,— одна из важнейших задач современной промышленности.
«Мы обнаружили, что металлоорганические комплексы редкоземельных металлов, в частности лантаноидов, обладают высокой радиационной устойчивостью,— рассказывает Михаил Бочкарев.— Их можно использовать при конструировании приборов для работы в космических аппаратах или на атомных электростанциях. Также устройства на основе этих комплексов могут быть полезны на предприятиях по переработке и обогащению радиоактивных веществ и на территориях, подвергшихся их заражению».
Лантаноиды — вещества из группы редкоземельных металлов, занимающие порядковые номера от 57 до 71 в таблице Менделеева. Они названы по первому представителю под номером 57 — лантану — и имеют схожие химические свойства. Благодаря особенностям электронного строения атомов этих металлов их неорганические и органические соединения имеют ряд уникальных свойств. Они могут светиться при облучении ультрафиолетом, проявлять магнетизм или превращать световую энергию в электричество.
Исследователи облучали образцы органических комплексов лантаноидов потоками нейтронов и гамма-квантов, полученными от распада радиоактивного изотопа урана. Исследуемые вещества выдерживали несколько суток в условиях постоянной радиации, а также периодическое облучение с высокой энергией. Общая доза поглощенной радиации составила 1300 Грей, что почти в 1000 раз больше смертельной для человека. На каждом этапе работы ученые проверяли цвет и другие оптические свойства образца, форму, внешний вид и электрические параметры. Также авторы сравнили молекулярную структуру кристаллов комплексов до и после облучения. Образцы не изменились. Причем устойчивость к излучению, показанная в этом эксперименте, оказалась почти на 50% выше, чем для некоторых неорганических веществ, использующихся на практике. Например, доза в 900 Грей приводит к необратимому изменению электрических свойств кремния в составе солнечных батарей, но практически не влияет на комплексы лантаноидов.
Impact of n,-irradiation on organic complexes of rare earth metals; Tatyana V. Balashova, Sergey V. Obolensky, Alexey N. Trufanov, Mikhail N. Ivin, Vasily A. Ilichev, Andrey A. Kukinov, Eugeny V. Baranov, Georgy K. Fukin, Mikhail N. Bochkarev; журнал Scientific Report, октябрь 2019 г.