Исследователи разрабатывают прототип светоизлучающего устройства на основе нового подхода.
Ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева синтезировали аэрогель из оксида кремния со встроенными люминесцентными частицами металлоорганического вещества Alq3.
Такой подход перспективен для создания новых светоизлучающих устройств, поскольку пористая структура аэрогеля защищает люминесцентные вещества от разрушающего воздействия внешней среды, а также позволяет совмещать в одной матрице разные люминофоры. Это дает возможность получить более гладкий и равномерный спектр излучения, чем у современных светодиодов.
Люминофор — вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение.
Сегодня в мире используют миллионы светодиодов, но у них до сих пор есть серьёзные недостатки. Главный среди них — это неравномерность и неестественность излучения. Чаще всего светодиоды испускают свет в узком диапазоне длин волн, то есть только определенного цвета — например, только зеленый или только красный. Поэтому чтобы делать по-настоящему эффективные светоизлучающие устройства инженеры прибегают к дорогостоящим технологиям.
Например, в типичном современном белом светодиоде есть сразу два светоизлучающих вещества. Одно из них — это люминесцирующее вещество, которое испускает синий и ультрафиолетовый свет под действием электрического тока, а второе это полупрозрачная фосфоресцирующая пленка, которая уже под действием синего излучения начинает тоже испускать свет, но только уже желтый.
Смесь желтого и синего в нужных пропорциях дает белый, но такая комбинация, конечно, отличается от естественного белого света: в ней слишком много ультрафиолета, в результате у человека быстрее устают глаза. Поэтому ученые ищут новые подходы к созданию светодиодов.
Исследователи из РХТУ предложили использовать для этого аэрогели, специальные материалы материалы в виде твердых легких губок, поры которых заполнены газом. Аэрогели обладают очень маленькой плотностью и огромной пористостью (до 99% аэрогеля занимает воздух), а также огромной площадью внутренней поверхности до 1500 м2/г.
Если просуммировать общую площадь внутренней поверхности всех пор кусочка аэрогеля массой всего в пять грамм, то получится целое футбольное поле. Аэрогели уже используют для создания разных теплоизоляционных материалов и суперконденсаторов.
«Мы попробовали внедрить люминесцентные вещества в аэрогели по двум основным причинам. Во-первых, у многих люминофоров заметно ухудшается спектр излучения с появлением даже самых незначительных примесей, а также они стремительно деградируют при контакте с влажным воздухом.
Во-вторых, аэрогель можно использовать как объемный излучатель, то есть встроить в него не один, а несколько люминесцентных веществ, излучение которых вместе даст гладкий и равномерный спектр. Также аэрогель хорошо подходит и для классической схемы белого светодиода, в котором ультрафиолетовое излучение одного вещества возбуждает фотолюминесценцию другого вещества. Аэрогель хорошо поглощает ультрафиолет и не дает ему выходить наружу, а вместо этого отправляет его в путешествие по сложнейшему лабиринту пор, пока ультрафиолет не дойдет до молекул люминофора. В результате получается равномерный спектр, сглаженный вот этой сложной внутренней архитектурой аэрогеля», — рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник РХТУ, Артём Лебедев.
Сначала ученые получили из кремнийорганических прекурсоров (участников реакции, приводящих к образованию целевого вещества) гидрогель. Этот материал очень похож на аэрогель — такая же легкая пористая губка, каркас, которой сделан из сшитых между собой молекул диоксида кремния, но только поры этой системы заполнены не газом, а жидкостью — изопропанолом. Дальше нужно было внедрить в эту матрицу люминесцентное вещество Alq3, которое плохо растворяется в изопропаноле, но имеет более высокую растворимость в ацетоне. Далее изопропанол в порах гидрогеля постепенно заменяли на ацетон, а потом всю губку погружали в раствор, в результате пористая структура геля впитывала в себя люминофор.
После этого гидрогель нужно было превратить в аэрогель. Если попытаться просто высушить гидрогель на воздухе, то его внутренняя структура схлопнется, и не получить твердый пористый материал неполучится. Поэтому гидрогели высушивают в среде сверхкритического диоксида углерода, нагретого внутри специального аппарата при давлении в 120 атмосфер до температуры выше 31 градуса. В таких условиях CO2 неограниченно смешивается с растворителем в порах геля.
Для успешной сушки CO2 непрерывно подается в аппарат в течение нескольких часов, за счет чего из геля полностью удаляется растворитель. Когда он полностью удален и давление начинают постепенно уменьшать, то CO2 превращается в газ и, наконец, получается гибридный аэрогель со встроенным Alq3. В обычных условиях он выглядит как твердый полупрозрачный материал, но при облучении ультрафиолетом он начинает активно светиться зеленым цветом.
Ученые показали, что такой многостадийный синтез не вредит самому аэрогелю: Alq3 не забивает и не разрушает поры, а встраивается в объем материала, практически не изменяя его основные свойства. Кроме того, исследователи оптимизировали условия синтеза, а точнее соотношение между количеством используемого растворителя (изопропанола) и кремнийорганического прекурсора. Они показали, что интенсивней всего светятся аэрогели, полученные из смесей, в которых изопропанола было в 7 раз больше, чем прекурсора аэрогеля.
Сейчас ученые продолжают работу и внедряют в аэрогели уже другие металлоорганические люминесцирующие вещества, чтобы комбинировать их спектры излучения. В ближайшее время исследователи планируют сделать прототип светоизлучающего устройства на основе аэрогелей.
«В этой первой работе мы уже показали перспективность подхода с люминесцентными аэрогелями, но у этого подхода есть еще одна очень важная перспектива. Дело в том, что сам Alq3 стоит очень дорого. Это связано с необходимостью его многократной очистки, с трудностями синтеза. В то же время исходный хинолин, из которого его синтезируют, значительно дешевле.
И вот если придумать, как синтезировать металлоорганический комплекс из его прекурсоров непосредственно внутри “защитной” оболочки аэрогеля, в инертной среде сверхкритического диоксида углерода, то это было бы очень и очень выгодно. Над этим мы сейчас активно работаем», — добавил Артём Лебедев.
Результаты работы опубликованы в Journal of Solid of State Chemistry.