جادوی زرد سریم؛ شیمیدانها رنگ نورهای نادر را عوض کردند!
پژوهشگران دانشگاه اقتصاد عالی (HSE) و مؤسسه سنتز پتروشیمی آکادمی علوم روسیه، موفق به کشف روشی برای کنترل رنگ و شدت تابش نوری عناصر نادر خاکی شدند.
به گزارش ساینس دیلی، در حالت عادی خاصیت لومینسانس (تابش نوری) این عناصر قابل پیشبینی است؛ برای مثال، یون سریم معمولاً نوری در محدوده فرابنفش ساطع میکند.
اما این تیم تحقیقاتی نشان داد که با ایجاد یک محیط شیمیایی خاص، میتوان تابش معمول این یونها را تغییر داد. در این مطالعه، با طراحی ترکیبهای خاصی از سریم، یونهای این عنصر بهجای تابش فرابنفش، نور زردرنگی ساطع کردند. این یافته میتواند زمینهساز توسعه منابع نوری جدید، نمایشگرهای با دقت بالا، و سامانههای لیزری پیشرفته شود. نتایج این پژوهش در نشریه Optical Materials منتشر شده است.
لومینسانس و نقش آن در فناوری نورپردازی
عناصر نادر خاکی به دلیل توانایی در تابش نور با رنگهای دقیق و قابل پیشبینی، نقش مهمی در صنایع میکروالکترونیک، دیودهای نورافشان (LED) و مواد فلورسانس دارند. این ویژگی از رفتار الکترونها ناشی میشود؛ زمانی که اتم انرژی جذب میکند (مثلاً از طریق نور یا جریان الکتریکی)، یکی از الکترونهایش به تراز انرژی بالاتری جهش میکند. این حالت ناپایدار است و پس از مدت کوتاهی، الکترون به حالت اولیه بازمیگردد و انرژی اضافی را به شکل نور آزاد میکند. این فرآیند لومینسانس نام دارد.
در عناصر نادر خاکی، تابش نوری ناشی از گذار الکترونها بین اربیتالهای ۴f است که در عمق اتم قرار دارند و تأثیر اندکی از محیط اطراف میپذیرند. در مقابل، اربیتالهای ۵d بیشتر تحت تأثیر محیط قرار میگیرند، اما معمولاً به دلیل انرژی زیاد، در لومینسانس فعال نیستند.
مهندسی محیط اطراف یونهای فلزی
دانشمندان با سنتز ترکیبات جدیدی از عناصر سریم، پرزئودیمیوم و تربیوم با استفاده از لیگاندهای آلی (مولکولهایی که به یون فلز متصل میشوند) موفق شدند ویژگیهای نوری آنها را تغییر دهند. در این ترکیبات، سه آنیون سیکلوپنتادینیل به صورت متقارن اطراف یون مرکزی فلز چیده شدهاند. این آرایش موجب ایجاد میدان الکترواستاتیکی خاصی میشود که انرژی اربیتالهای ۵d را کاهش داده و در نتیجه طیف تابشی عنصر را تغییر میدهد.
این آنیونها شامل پنجضلعیهایی از اتمهای کربن هستند که گروههای آلی بزرگی به آنها متصل شده است؛ همین ساختار موجب شکلگیری هندسهای ویژه در اطراف یون فلزی و در نهایت تغییر رفتار نوری آن میشود.
پیش از این نیز نمونههایی از تغییر رنگ تابش در ترکیبات عناصر نادر خاکی گزارش شده بود، اما مکانیزم دقیق آن مشخص نبود. اکنون پژوهشگران توانستهاند این فرایند را رمزگشایی کنند.
دانیل باردونوف، دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی در دانشگاه HSE میگوید: «ما به جای بررسی یک نمونه، مجموعهای از ترکیبات مختلف از سریم تا تربیوم را سنتز کردیم تا الگوهای مشترک در رفتار آنها را شناسایی کنیم.»
در ترکیبات معمول، یون سریم نوری در محدوده ۳۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر (فرابنفش) ساطع میکند، اما در ترکیبات جدید، تابش آن به محدوده قرمز و تا طول موج ۶۵۵ نانومتر منتقل شده است. این تغییر نشاندهنده کاهش فاصله انرژی بین ترازهای ۴f و ۵d است. همین الگو در سایر عناصر نیز مشاهده شد.
دمیتری رویترشتاین، ناظر علمی برنامه «شیمی سامانهها و مواد مولکولی» و یکی از نویسندگان مقاله میگوید: در ترکیبات معمول، انرژی توسط لیگاند جذب شده و مستقیماً به الکترونهای ۴f منتقل میشود. اما در ترکیبات جدید، انرژی ابتدا به تراز میانی ۵d منتقل شده و سپس باعث تابش میشود. این تغییر سازوکار نشان میدهد که میتوان با طراحی دقیق، طیف نوری مطلوب را پیشبینی و مهندسی کرد.
به باور محققان، این یافتهها میتواند روشهای وقتگیر آزمون و خطا را در طراحی مواد نوری حذف کرده و روند توسعه منابع نوری با ویژگیهای دلخواه را تسریع کند.
انتهای پیام/
