Новый органический материал светится более 12 секунд после выключения света
Международная группа исследователей создала органический материал, способный продолжать светиться более 12 секунд после прекращения облучения при комнатной температуре. Новое соединение получило название моногомотруксен (MHTX). По данным авторов работы, это самое продолжительное синее фосфоресцентное свечение, зарегистрированное для углеводорода.
MHTX представляет собой полициклический ароматический углеводород — молекулу, состоящую только из углерода и водорода и содержащую несколько связанных между собой колец. Исследователи получили её, изменив структуру другого соединения — гомотруксена. Новая молекула стала более плоской и жёсткой, а её симметрия уменьшилась. Именно эти изменения заметно повлияли на то, как вещество поглощает и излучает энергию.
При возбуждении ультрафиолетовым светом в бескислородной среде MHTX испускал сине-голубое свечение с длиной волны около 455–480 нанометров. После отключения источника света оно оставалось заметным невооружённым глазом более 12 секунд при температуре 25 °C. При охлаждении до −193 °C послесвечение сохранялось уже около 20 секунд.
Для сравнения, исходный гомотруксен также способен фосфоресцировать, однако измеренное ранее время жизни его оранжевого свечения составляло около 0,38 секунды. Таким образом, изменение геометрии молекулы позволило получить значительно более долгоживущее возбуждённое состояние.
Необычным оказалось и то, что характер свечения MHTX зависит от энергии поглощённого света. Обычно молекула после возбуждения быстро теряет часть энергии и переходит в самое низкое возбуждённое состояние, после чего испускает фотон. Это поведение описывается правилом Каши.
В случае MHTX исследователи обнаружили отклонение от этого правила. При возбуждении более высокого энергетического состояния молекула переходила в долгоживущее состояние и возникала интенсивная фосфоресценция. При возбуждении более низкого состояния преобладала обычная быстрая флуоресценция, а продолжительное свечение становилось значительно слабее.
Эксперименты показали, что важную роль играет изменение формы молекулы. Более жёсткая структура уменьшает потери энергии на молекулярные колебания, а нарушение симметрии открывает дополнительные пути перехода между электронными состояниями. В результате эффективность фотолюминесценции MHTX в твёрдом материале достигала 63%. Для исходного гомотруксена в сопоставимых условиях она составляла 32%.
У материала есть существенное ограничение. Продолжительное синее свечение наблюдалось в среде без кислорода. В присутствии воздуха кислород эффективно подавляет долгоживущие возбуждённые состояния, поэтому непосредственно использовать MHTX как обычный светящийся материал пока нельзя.
Тем не менее результат показывает, что продолжительностью и характером свечения органических соединений можно управлять за счёт изменения геометрии и симметрии молекул, не добавляя в них металлы или другие тяжёлые элементы. Такой подход может использоваться при разработке новых органических светящихся материалов, оптических датчиков и устройств хранения и кодирования информации.
Исследование в журнале Nature Communications.