Как возникает люминесценция и есть ли в ней польза, помимо красоты? Что такое органические светодиоды, и где они применяются? Можно ли измерять температуру светом? Об этом и многом другом ― в интервью с доктором химических наук, ведущим научным сотрудником лаборатории «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН Ильей Викторовичем Тайдаковым.

― Откуда берется эффект люминесценции и как мы используем его на практике?

― Люминесценция — наверное, одно из самых красивых физических явлений, и человечеству оно знакомо с древности. Аристотель, например, упоминал о свечении моря из-за, как мы сейчас знаем, микроскопических организмов. Считается, что люминесценция впервые была описана научным образом Робертом Бойлем в середине XVII в. Он экспериментировал с алмазами и обнаружил, что после облучения солнцем они могут определенное короткое время светиться в темноте. Потом известный алхимик Винченцо Кашароло из Болоньи смог синтезировать первый искусственный люминесцентный материал. Он прокаливал тяжелый шпат в печи и обнаружил, что этот минерал после облучения солнцем светится в темноте достаточно продолжительное время. Потом был открыт фосфор, классический пример хемилюминесценции.

Большого интереса явление не вызывало приблизительно до середины XX в., когда было обнаружено, что оно может быть крайне полезно. В частности, основатель нашего института Сергей Иванович Вавилов решал с помощью люминесценции задачи освещения, химического анализа и визуализации тех объектов, которые не видно глазом. Вопросы люминесценции стали исследоваться достаточно широко, и в настоящее время ее изучение стало мощной отраслью современной химии, физики, материаловедения.

Что такое люминесценция? Это холодное свечение. Согласно классическому определению С.И. Вавилова, люминесценция есть «избыточное над тепловым излучение тела, длящееся определенное количество (более 10–10 секунды) времени». Ограничение по времени необходимо нам, чтобы отличить люминесценцию от других явлений, таких, как, скажем, отражение или рассеяние. Все очень просто. Например, мы знаем, что, если взять тело с температурой выше абсолютного нуля, то есть примерно ̶ 273º C, то оно испускает электромагнитные волны. В определенном диапазоне мы можем чувствовать эти электромагнитные волны как ощущение тепла. Это инфракрасное излучение. По мере того как тело нагревается, это излучение будет смещаться по спектру из инфракрасной области в красную. Если мы, допустим, будем прибавлять напряжение лампочке, сначала она просто нагреется, потом при достижении температуры нити приблизительно 500–600º C начнет слабо светиться. И с ростом напряжения она будет светиться все ярче и ярче ― максимум будет смещаться по спектру.

А теперь возьмем светящиеся палочки. Если мы разломим такую палочку и встряхнем ее, то за счет химической реакции возникает свечение. Я могу совершенно спокойно держать в руках палочку, цвет свечения которой соответствует температуре нагретого тела порядка 3000º C. Однако в реальности никакого значительного тепла не выделяется. Это избыточное над тепловым излучение, то есть тело на самом деле холодное, а энергия выделяется в виде света.

У люминесценции могут быть самые различные источники возбуждения. Если направить ультрафиолетовый свет на сосуды, содержащие люминесцентный краситель, то мы увидим, что невидимое излучение ультрафиолета поглощается, а в видимом диапазоне в красной и зеленой областях выделяется свет. Естественно, при этом практически никакого нагрева нет.

Люминесцировать могут не только специально приготовленные химические соединения. Если мы направим ультрафиолетовый свет на кристалл оксида алюминия, содержащего примесь ионов трехвалентного хрома, он же рубин, мы увидим, что наблюдается яркое красное свечение. Этот эффект используется в том числе и в лазерах. Здесь, в ФИАН, был создан первый в Советском Союзе лазер на рубиновом стержне.

В быту нам знакомы люминесцентные метки на банкнотах, позволяющие кассиру в банке проверить подлинность бумаг. Есть люминесценция, вызываемая пучками электронов или рентгеновским излучением. На них работают флюорографические системы в поликлинике, а также электронно-лучевые трубки в телевизорах и осциллографах. Применение люминесценции чрезвычайно разнообразно и интересно, оно имеет громадное практическое значение. Вы можете с помощью красителя пометить трещины на поверхности детали и, облучив ее фонарем, увидеть, где краситель распределился, и обнаружить дефекты, невидимые для невооруженного глаза.

― Чем занимается ваша лаборатория? Какие в ней проводят исследования?

― Можно выделить три основных направления. Первое связано с исследованием люминесцентных органических красителей. Эта работа ведется в сотрудничестве с Институтом органической химии РАН. Мы изучаем новые красители, необходимые для создания органических светоизлучающих устройств и органических солнечных батарей. Роль красителя там сводится к тому, что он поглощает видимый свет и передает его на внутреннюю структуру батареи, и таким образом происходит разделение зарядов. В органическом светоизлучающем диоде происходит обратный процесс – возбужденные молекулы, образующиеся при слиянии носителей зарядов, сбрасывают избыточную энергию в виде света.

Второе направление, наверное, самое для нас главное, ― это исследование люминесцентных материалов на основе так называемых лантаноидов. Это группа элементов-металлов с атомными номерами 57–71 в периодической таблице. Начинается ряд лантаном, заканчивается лютецием. Основная особенность этих элементов ― частично или полностью заполненная f-электронная оболочка. Она экранирована внешними электронами, и внутри нее возможны электронные переходы. Они отвечают за то, как свет поглощается и, самое главное, как свет излучается. Конечно, мы изучаем не сами металлы, а образуемые ими трехзарядные ионы в составе более сложных так называемых, координационных соединений, где ион лантаноида дополнительно связан с различным окружением из органических молекул.

Хотя ионы лантаноидов могут люминесцировать сами по себе, правильно подобранное окружение позволяет усилить этот эффект многократно.

В лаборатории мы всесторонне изучаем внутренние механизмы передачи энергии в координационных соединениях, чтобы понять, как сделать их люминесценцию более эффективной, или почему она в каких-то случаях, наоборот, отсутствует. Понимание путей передачи энергии позволяет решать интересные практические задачи.