Благодаря многоуровневой наноуглеродной антенне редкоземельный элемент сияет в 5 раз ярче, чем в молекулярных светоизлучающих устройствах. Комплекс на основе европия – Eu (III) – с наноуглеродной антенной излучает чистый красный свет.
Комплекс европия – Eu (III) – с наноуглеродной антенной излучает чистый красный свет. – Вставка слева: Комплекс европия – Eu (III) – содержащий многоуровневую наноуглеродную структуру, служит антенной для фокусировки света
Уникальная молекулярная структура, разработанная исследователями из Университета Хоккайдо, заставляет комплекс на основе европия сиять более чем в пять раз ярче при поглощении низкоэнергетического синего света. Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Chemistry, и они должны способствовать созданию более эффективных фотосенсибилизаторов с широким спектром вариантов применения.
Фотосенсибилизаторы – это молекулы, которые возбуждаются при поглощении ими света, а затем передают эту энергию возбуждения другой молекуле. Они используются в фотохимических реакциях, системах преобразования энергии и для фотодинамической терапии некоторых видов рака на ранней стадии.
В связи с особенностями структуры доступных в настоящее время фотосенсибилизаторов часто происходят неизбежные потери энергии, и поэтому эти вещества не так эффективны с точки зрения поглощения света и передачи энергии, как хотелось бы ученым. Кроме того, для возбуждения требуется наличие высокоэнергетического света, такого как УФ-излучение.
Юичи Китагава и Ясучика Хасэгава из Института разработки и открытия химических реакций (WPI-ICReDD) в Университете Хоккайдо вместе со своими коллегами в Японии работали над улучшением структуры традиционных фотосенсибилизаторов.
В основе их концепции лежит технология продления молекулярного энергетического состояния, называемого «триплетным возбужденным состоянием», и уменьшения зазоров между энергетическими уровнями в молекуле фотосенсибилизатора. Это могло бы обеспечить более эффективное использование фотонов и уменьшение потерь энергии.
Исследователи разработали наноуглеродную «антенну» на основе коронена, полициклического ароматического углеводорода, который содержит шесть бензольных колец. Две наноуглеродные антенны расположены одна над другой и соединяются с обеих сторон с редкоземельным металлом – европием. Дополнительные элементы соединения используются для усиления связей между наноуглеродными антеннами и европием. Когда наноуглеродные антенны поглощают свет, они передают эту энергию европию, заставляя комплекс излучать красный свет.
Комплекс Eu(III), содержащий многоуровневую наноуглеродную структуру. Наноуглеродная структура работает как антенна, собирая свет и эффективно передавая энергию европию, который затем излучает красный свет (Kitagawa Y., Hasegawa Y., et al., Communications Chemistry, January 3, 2020).
Эксперименты показали, что комплекс лучше всего поглощает свет с длинами волн на уровне 450 нм. Когда на комплекс воздействовал синий светодиод, он светился более чем в пять раз ярче, чем лучший из ранее описанных комплексов европия, которые до сих пор обеспечивали сильное излучение под синим светом. Исследователи также продемонстрировали, что комплекс может выдерживать температуры выше 300 °C благодаря своей надежной структуре.
«Это исследование дает представление о структуре фотосенсибилизаторов и может привести к появлению фотофункциональных материалов, которые будут эффективно использовать низкоэнергетический свет», – говорит Юичи Китагава, участник исследовательской группы. Исследователи утверждают, что новая структура может применяться для изготовления молекулярных светоизлучающих устройств.