Исследователи из Сибирского федерального университета, Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН и Южно-китайского технологического университета предложили и доказали новый дизайн-принцип для создания молекулярных сцинтилляторов, превращающих невидимое рентгеновское излучение в видимый свет. На практике их открытие открывает дорогу к созданию более чувствительных и дешёвых рентгеновских экранов для диагностики заболеваний — это снизит дозу облучения пациента, необходимую для получения чёткого снимка. Также это поможет создавать габаритные гибкие экраны для досмотра багажа в аэропортах или на таможне и проводить неразрушающий контроль качества, чтобы найти скрытые дефекты материалов или изделий.
Сцинтилляторами называют «преобразователи» рентгеновского излучения. Они преобразуют невидимое рентгеновское излучение в свет, который можно увидеть или зафиксировать камерой. В качестве перспективных кандидатов для получения сцинтилляторов учёные из России и Китая выбрали металлорганические галогениды серебра — соединения серебра с йодом, бромом или хлором и органикой.
Серебро считается «тяжёлым» химическим элементом. Чем тяжелее атомы в материале, тем эффективнее он поглощает рентгеновские лучи. Серебро отлично справляется с поглощением, что критически важно для чувствительности детектора.
Предложенная научным коллективом технология работы с галогенидами серебра достаточно простая и недорогая. В отличие от традиционных неорганических сцинтилляторов (например, CsI:Tl), которые нужно выращивать при больших температурах, новые комплексы можно синтезировать в растворе при относительно низких температурах. Это позволит в перспективе делать гибкие и большие по площади экраны с адекватной себестоимостью. Кроме того, новые «серебряные» сцинтилляторы более стабильны на влажном воздухе, чем неорганические, и самое главное — они обладают особым механизмом свечения.
Дело в том, что при облучении рентгеновскими лучами электроны в материале переходят в возбуждённое состояние. Таких состояний может быть два: синглетное и триплетное. Из синглетного состояния электрон легко отдаёт энергию в форме видимого света, а вот в триплетном он «заперт»: в обычных материалах, особенно органических, электрон не может напрямую превратить свою энергию в свет и просто рассеивает её в форме тепла. Это огромные потери — ведь триплетных состояний образуется в три раза больше, чем синглетных. Значит, нужен механизм по «удержанию» света, — объяснил соавтор исследования, доцент базовой кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ и старший научный сотрудник лаборатории кристаллофизики ИФ СО РАН Максим Молокеев.
Исследователи использовали механизм термоактивированной замедленной флуоресценции (TADF). Он позволяет «подхватывать» электроны из триплетных состояний и с помощью тепла (которого при комнатной температуре вполне достаточно) переводить их обратно в синглетное состояние — то есть в форму, способную светиться. В результате энергия, которая в обычных материалах уходила бы «в никуда», тоже невольно превращается в свет. Это позволяет значительно повысить яркость свечения и эффективность преобразования рентгена в видимый свет.
Впрочем, «классические» галогениды серебра тоже имеют свои недостатки. Во-первых, они боятся влаги — активно впитывают воду из воздуха и разрушаются, теряя способность светиться. Во-вторых, склонны к «слипанию» и потере энергии. Также атомы серебра любят сбиваться в «группы» (кластеры). При «слипании» атомов энергия, которую они должны были отдать в виде света, преобразуется в тепло, и материал перестаёт светиться. Задачей учёных было создать такой материал, который сохранит все плюсы серебра, но будет избавлен от указанных минусов. Проблему решили правильно подобранные органические молекулы.
Мы спроектировали и синтезировали моноядерные комплексы галогенидов серебра. Спланировали синтез так, чтобы в растворе соотношение ионов серебра и этих органических молекул (лигандов) было строго определённым — ровно таким, чтобы каждый ион серебра успел окружить себя молекулами лиганда и не остался «голым». Лиганд в этой конструкции работает как панцирь. Во-первых, он физически разделяет атомы серебра, не давая им слипаться в те самые «сгустки», которые тушат свечение. Во-вторых, он создаёт вокруг серебра очень жёсткую структуру — лиганд как бы охватывает серебро со всех сторон. В обычных материалах атомы могут легко «дрожать» (колебаться), теряя энергию впустую, однако здесь «панцирь» жёстко фиксирует атом, подавляя эти потери. В результате материал светит гораздо ярче и стабильнее. Мы называем это «моноядерным» комплексом, потому что в центре находится один изолированный атом серебра, а не их группа, — заметил Максим Молокеев.
По сути, в этом «панцире» и состоит главное открытие российских и китайских учёных. Им удалось показать: чем жёстче зафиксирован атом металла, тем меньше энергии он теряет впустую.
Мы обнаружили неочевидную вещь: самый лёгкий галоген (хлор) дал самый яркий результат, хотя обычно ждут, что чем тяжелее атом, тем лучше. Это произошло именно потому, что хлор создал самую жёсткую и упорядоченную структуру, которая максимально пресекла потери энергии. Полученный результат весьма универсален. Этот принцип — «создай жёсткую клетку для металла и подбери правильный галоген» — можно применять не только к серебру. Металлы с похожим электронным строением (так называемые d10-металлы, например, медь) могут вести себя аналогично. Это как рецепт: если вы будете следовать ему, вы сможете создать эффективный сцинтиллятор из похожих ингредиентов, — резюмировал учёный.
Авторы работы показали, что можно обойтись без дорогих и сложных неорганических кристаллов, используя более простые и дешёвые органические комплексы. Это открывает новое направление для химиков и материаловедов по всему миру. И, поскольку рентгеновские методы — это сквозные технологии, пронизывающие самые разные отрасли, практическая польза работы широка: от улучшения диагностических процедур рентгенографии в медицине до возможности «просвечивать» детали машин, сварные швы и композитные материалы, чтобы найти внутренние трещины или дефекты, не разбирая их.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (24-43-00006).
Источник: Минобрнауки России
