Получен новый светящийся керамический материал
Недавно сотрудники Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. В. Тананаева и Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного технологического института получили новый светящийся материал и комплексно изучили его возможности. Статья об исследовании опубликована в журнале Ceramics.
Люминесцентные материалы на основе сложных оксидов находят широкое применение в современной жизни от систем освещения и оптоэлектроники до таких новых направлений в медицине как биоимиджинг и фотодинамическая терапия. Такие материалы поглощают высокоэнергетическое излучение и излучают видимый человеческому глазу свет, что позволяет их использовать, например, в рентгеновской томографии. В световой промышленности и лазерных технологиях их применяют для преобразования энергии ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов. Возможно применение их и в бесконтактной термометрии.
Объектом изучения стали керамические твёрдые растворы на основе ниобатов-танталатов эрбия с формулой ErNbₓTa₁₋ₓO₄. Изменение соотношения их компонентов, легирование и применение различных технологий синтеза позволяет управлять свойствами таких материалов: менять цвет и яркость света, длительность послесвечения и механическую прочность.
Электронные микрофотографии порошков: (a) — чистый ниобат эрбия; (b) — ниобат-танталат эрбия с большой долей тантала. На вставках показаны кривые дифференциального распределения размеров частиц.
Для получения образцов исследователи использовали жидкофазный метод синтеза: выращивали материал из растворов, осаждая гидроксиды, которые затем подвергались высокотемпературному спеканию в печи при 1400 °C. Такой подход позволил получить тонкодисперсные порошки и высококачественную керамику с контролируемой структурой.
Одно из главных свойств нового материала — люминесценция с эффектом ап-конверсии. Обычно люминофоры поглощают энергию и излучают свет с меньшей энергией. Эти же керамики работают наоборот: они поглощают невидимое человеческому глазу инфракрасное излучение (например, от лазера с длиной волны 980 нанометров) и преобразуют его в видимый свет зелёной или красной области спектра.
Авторы работы впервые установили, что равное соотношение ниобия и тантала создает особый синергетический эффект. В образце состава ErNb₀.₅Ta₀.₅O₄ интенсивность свечения в видимой области превысила таковую у чистого ниобата или чистого танталата. Это открывает путь к созданию сверхчувствительных оптических температурных сенсоров.
Микроструктура и размерный состав кристаллитов (на вставках) керамических образцов от чистого ниобата эрбия к чистому танталату эрбия с возрастающей долей тантала в промежуточных образцах
Люминесцентная керамика должна не только эффективно преобразовывать энергию излучения, но и быть достаточно прочной для бытового или промышленного использования, поэтому исследователи провели серию механических испытаний полученных материалов.
Здесь лидером оказался состав ErNbO₄ (чистый ниобат эрбия), а также образец с небольшим добавлением тантала ErNb₀.₇Ta₀.₃O₄, продемонстрировавшие наилучшие показатели прочности. Модуль Юнга для ErNbO₄ составил около 297 ГПа, что по показателю жёсткости превосходит некоторые марки стали. Это значит, что из такой керамики можно изготавливать датчики и счётчики, которые будут работать в условиях высоких механических нагрузок не разрушаясь.
Самой интригующей частью исследования стало изучение бактерицидных свойств порошка ErNbO₄. Авторы проверили его действие на три типа микроорганизмов: грамположительные бактерии (Micrococcus sp.), грамотрицательные бактерии (Escherichia coli) и спорообразующие бактерии (Bacillus subtilis).
Результаты оказались впечатляющими. Материал проявил фотоиндуцированную токсичность. Это значит, что под действием обычного дневного света керамика активно убивает бактерии. Эффект зависит от освещённости: в темноте количество бактерий Micrococcus sp. снижалось лишь наполовину, тогда как на свету их популяция сокращалась оченьпочти на порядок — оставалось около 11% от начального количества.
Наиболее уязвимыми оказались грамположительные бактерии Micrococcus sp. из-за особенностей строения их клеточной стенки. Грамотрицательные бактерии, имеющие более сложную внешнюю мембрану, показали большую устойчивость, но также подвергались подавлению.
Образцы люминесцентной керамики
Исследователи предполагают, что эрбиевые ниобаты-танталаты могут иметь несколько сфер применения:
1. Использование в качестве контрастных агентов для биоимиджинга (визуализации процессов внутри организма) и для фотодинамической терапии инфекций.
2. Создание покрытий для поверхностей, фильтров для очистки воды и сточных вод, которые будут стерилизовать среду под действием света.
3. Производство лазеров, светодиодов и оптических усилителей для систем связи.
4. Бесконтактные термометры, работающие в агрессивных средах, где обычная электроника выйдет из строя.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
