Светофор для микромира

Ученые разработали светящиеся материалы, которые позволяют измерять температуру очень маленьких объектов, например отдельных клеток или микросхем, без контакта с ними. Новые соединения металлов европия и тербия работают в широком диапазоне от –196 до +126 °C, благодаря чему их можно использовать в медицине для измерения температуры в клетках, а также в микроэлектронике для выявления перегрева микросхем.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Одна из молекул оказалась рекордной с точки зрения чувствительности к температуре и стабильности работы, превзойдя существующие материалы-аналоги. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.

Измерить температуру живых клеток, например при диагностике опухолей, элементов микросхем при отслеживании их перегрева, а также других очень мелких объектов с помощью классических термометров невозможно. Помочь в таких случаях может люминесцентная термометрия — метод оценивания температуры по тому, как меняется свечение материалов, из которых состоит термометр. Для создания подобных устройств используют соединения с ионами редкоземельных металлов — например, трехвалентных европия, иттербия и тербия, которые под действием ультрафиолета ярко светятся различными цветами. При малейших изменениях температуры (около долей градуса) свечение таких материалов меняется, благодаря чему их и возможно использовать для измерений.

Ученые уже получили ряд подобных соединений и выяснили, что от органического компонента (лиганда) и используемого металла зависят яркость и спектр свечения, а потому, меняя их, можно тонко настраивать свойства будущих датчиков.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Исследователи из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (Москва), Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова синтезировали два новых комплекса, в каждый из которых вошли ионы европия и тербия. Эти металлы связали с органическими группами в виде нескольких углеродных колец. При этом комплексы состояли из одних и тех же атомов, но немного отличались их взаимным расположением.

Чтобы исследовать свойства материалов, ученые охладили их до температуры жидкого азота (–196 °C) и облучили ультрафиолетом. В таких условиях оба соединения испускали зеленое свечение, за которое отвечает тербий. При нагревании (до комнатной температуры, а затем до 126 °C) энергия от иона тербия переходила к иону европия, и свечение становилось красным. При этом интенсивность как зеленого, так и красного света напрямую зависела от температуры, что позволяет использовать новые материалы в качестве термометров.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

При сравнении материалов оказалось, что, если изменить положение в молекуле даже одного атома, диапазон температур, при которых работает материал, значительно смещается, а температурная чувствительность возрастает на 40%. При этом меняется и природа процессов, ответственных за перенос энергии. Это связано с тем, что укладка молекулы влияет на то, как атомы металлов взаимодействуют с окружающими их органическими фрагментами. От этого, в свою очередь, зависят перенос энергии в молекуле и характеристики свечения при разных температурах.

«Чтобы объективно сравнить полученные комплексы с существующими аналогами, мы предложили использовать новый универсальный показатель — Sensitivity-Range Integral (SRI, интегральная чувствительность). Он учитывает не только максимальную чувствительность материала, но и то, насколько стабильно она сохраняется во всем рабочем диапазоне температур. Таким способом можно сравнивать люминесцентные сенсоры разных классов и легко сопоставлять возможности применения того или иного термометра в реальных задачах. Расчеты показали, что для новых материалов значения SRI составили 970% и 734%. Мы обнаружили, что по предложенному параметру наш материал с более высоким показателем (970%) оказался лучше других существующих молекулярных термометров»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Тайдаков, доктор химических наук, заведующий лабораторией «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» отделения оптики ФИАН.

Подготовлено при поддержке Российского научного фонда