Химики из Германии выяснили, что сплавы редкоземельных металлов можно использовать для создания фейерверков и бенгальских огней с разноцветными искрами. Ученые проанализировали цвета вспышек, количество и длину искр при сгорании разных сплавов редкоземельных металлов и нашли несколько комбинаций, дающих наиболее впечатляющие результаты.

Исследование опубликовано в ACS Omega.

Цвет вспышек фейерверков или бенгальских огней приблизительно описывается кривой излучения абсолютно черного тела. В зависимости от температуры, до которой металл нагревается, возникают разные цвета — сначала темно-красный, потом, при нагревании, желтый, потом ярко-белый. И если никаких других процессов не происходит, получить большого разнообразия цветов невозможно.

Но если при нагревании происходит быстрое окисление металла, цвет излучения может поменяться. Например, это происходит в случае лантаноида эрбия, который при сильном нагревании дает золотистые искры за счет излучения от частиц металла. При этом частицы окисляются кислородом, а образующиеся оксиды излучают в зеленой области спектра. Но в случае эрбия зеленые искры заметить трудно, потому что излучение раскаленных частиц металла очень интенсивное, и золотистый цвет виден в первую очередь.

Чтобы найти комбинации металлов, способные давать искры двух цветов, химики под руководством Эйке Хюбнера (Eike G. Hübner) из Клаустальского технического университета решили изучить цветовые эффекты, возникающие при нагревании сплавов редкоземельных металлов. Исследователи предположили, что сплавы легкокипящих редкоземельных металлов с высококипящими металлами дадут два цвета: один от излучения частиц металлов и другой от излучения оксидов редкоземельного металла.

Первым для исследования химики выбрали иттрий, образующий устойчивый монооксид YO. Но порошки сплавов иттрия в пламени горелки давали ярко-красные короткие искры, которые можно получить, используя более распространенные металлы (например, кальций или литий). И поэтому ученые перешли на иттербий — металл, некоторые оксиды которого излучают в зеленом, а не красном, диапазоне спектра.

Разные эффекты от порошков сплавов в пламени горелки / Eike G. Hübner et al. / ACS Omega, 2022

Порошок сплава иттербия с кремнием Yb₃Si₅, приготовленный химиками, при контакте с пламенем горелки дал ярко-красные искры. А вот сплав иттербия и меди с мольной долей иттербия в 88 процентов дал два цвета искр: насыщенный золотистый и ярко-зеленый. Сравнительный анализ длин излучаемых волн показал, что зеленый цвет возникает за счет образующихся оксида YbO и гидроксида YbOH, а красный цвет — результат излучения частиц металла. Такой же эффект химики наблюдали и в случае сплава иттербия с цинком.

Далее химики решили найти наиболее «искристый» сплав, который давал бы красивые снопы искр, вылетающих друг из друга. Ученым было известно, что такое ветвление искр наиболее выражено в случае некоторых очень пирофорных и неудобных в использовании сплавов железа с церием. Поэтому химики решили взять более безопасный трехкомпонентный сплав с формулой Nd₂Fe₁₄B, из которого делают неодимовые магниты. При внесении его порошка в горелку ученые наблюдали фонтан из длинных искр, каждая из которых со временем становилась ярче и давала пучки новых искр.

Ветвящиеся искры раскаленного Nd₂Fe₁4B / Eike G. Hübner et al. / ACS Omega, 2022

Так ученые исследовали набор сплавов редкоземельных элементов, и некоторые из них оказались неплохи для использования в фейерверках. Но авторы статьи предупреждают, что редкоземельные металлы достаточно дорогие и применять их надо аккуратно — мелкие частицы этих металлов и их соединений токсичны при вдыхании.