Greitesni nei bet kada: sukurta technologija gali pakeisti spinduliuotės detektorius

Užuot rėmęsi daugiausia neorganine perovskitų struktūros dalimi, tyrėjai sukūrė medžiagas, kurios spinduliuotės veikiamos šviesą generuoja pasitelkdamos organinę jų dalį. Tai leidžia išgauti labai greitą ir efektyvią šviesos emisiją.

Perovskitai – tai kristalinės medžiagos, apibrėžiamos specifine atomine sandara. Jie tapo vienu svarbiausių šiuolaikinės medžiagų mokslo objektų, ypač kuriant saulės elementus ir optoelektroninius įrenginius.

Tradiciškai daugiausia dėmesio buvo skiriama neorganiniam karkasui, nes manyta, kad būtent jis lemia didžiąją dalį naudingų savybių.

Oklahomos universiteto komanda suabejojo šia prielaida. M. S. Muhammado, Chemijos ir biochemijos katedros doktoranto, vadovaujama grupė ėmėsi tirti, ar hibridinių sluoksniuotų perovskitų organinė dalis galėtų atlikti kur kas didesnį funkcinį vaidmenį.

Atsakymas buvo teigiamas. Tiesiogiai į sluoksniuotas halogenidinių perovskitų struktūras įterpę organinius junginius, mokslininkai sukūrė medžiagas, kurios, veikiamos spinduliuotės, šviesą išskiria būtent iš organinės struktūros dalies.

Tokios šviesos emisijos efektyvumas yra vienas didžiausių tarp šio tipo sistemų, o tai itin svarbu spinduliuotės detektoriams.

Organinės ir neorganinės dalies sąveikos pergalvojimas

„Sujungdami neorganinę ir organinę dalis į vieną hibridinę medžiagą galime pasinaudoti kiekvienos struktūrinės dalies privalumais“, – aiškino Muhammadas.

„Greitiems spinduliuotės detektoriams reikalingos greitos scintiliacinės savybės, tai yra, šviesos emisija turi būti labai greita. Būtent organinė šių medžiagų struktūros dalis gali tai užtikrinti.“

Komanda į specialiai suprojektuotus dvimačius sluoksniuotus perovskitus įterpė vadinamuosius stilbenus – stipria šviesos emisija pasižyminčius organinius junginius.

Stilbenai jau seniai žinomi dėl ryškios liuminescencijos, tačiau įdiegus juos į perovskitinį kristalinį karkasą, jų savybės dar labiau pagerėjo.

Rezultatas – penkis kartus padidėjęs šviesos emisijos efektyvumas, palyginti su atskirai naudojamais organiniais junginiais. Tai rodo, kad kristalinė aplinka reikšmingai sustiprina molekulių atsaką į spinduliuotę.

Muhammado darbas kilo iš paprasto, bet esminio klausimo: ar įdomios perovskitų savybės kyla tik iš neorganinės jų struktūros dalies?

„Žmogus, nesidomintis šia sritimi, gali paklausti, kodėl apskritai svarbu, ar šviesos emisija kyla iš organinės, ar iš neorganinės struktūros dalies. Tačiau paaiškėja, kad jų šviesos emisijos savybės labai skiriasi“, – pabrėžė profesorius Bayramas Saparovas, Chemijos ir biochemijos katedros dėstytojas ir vyresnysis tyrimo autorius.

Greitesnė šviesa ir ilgaamžiškumas

Organinė šviesos emisija paprastai vyksta greičiau nei neorganinė. Tokiose srityse kaip neutronų, rentgeno ir gama spindulių detektavimas atsako greitis yra kritiškai svarbus. Detektorius turi akimirksniu paversti įeinančią spinduliuotę šviesos signalais.

„Norime turėti greitus neutronų detektorius, greitus rentgeno detektorius, greitus gama spindulių detektorius, ir būtent šiems tikslams galima naudoti organines medžiagas“, – sakė Saparovas. „Muhammado panaudota strategija leido padidinti organinės dalies šviesos emisijos efektyvumą net iki penkių kartų.“

Be greičio ir ryškumo, sukurtos medžiagos pasižymėjo ir dideliu atsparumu aplinkos poveikiui. Daugelis spinduliuotę detektuojančių junginių reikalauja apsauginių sluoksnių, kad būtų apsaugoti nuo irimo.

Šie hibridiniai perovskitai daugiau nei metus išliko stabilūs atviroje aplinkoje be jokios papildomos kapsuliacijos.

„Muhammado sukurtų medžiagų veikimas prilygsta pažangiausiems greitiesiems spinduliuotės detektoriams“, – teigė Saparovas.

„Tai rodo, kad mūsų demonstruota strategija yra efektyvi. Toliau tikslinant šias struktūras, galime dar labiau padidinti hibridinių medžiagų liuminescencijos efektyvumą, ir jos gali net pranokti dabartinius pažangiausius sprendimus.“

Tyrimo rezultatai rodo, kad iš naujo subalansavus organinių ir neorganinių komponentų vaidmenis perovskitų struktūrose galima atverti naujas galimybes kurti itin greitus spinduliuotės jutiklius. Darbas publikuotas žurnale „Journal of the American Chemical Society“.