Стекло «два в одном». Учёные испытали новый люминесцентный материал

Люминофоры — это вещества, которые могут люминесцировать, то есть преобразовывать поглощаемую энергию (электрическую, световую) в энергию света. Меняя состав люминофора, можно получить нужный световой поток: красный, зелёный или любой другой. Чтобы растения быстрее росли и лучше плодоносили, можно подобрать различные подходящие именно для них люминофоры или их сочетания. В идеале эти вещества должны быть доступны и нетоксичны, ведь их используют для производства пищевых продуктов. 

Люминесцентное стекло получено по известной технологии сплавлением исходных компонентов, причём основой является оксид германия, в качестве активирующих люминесценцию добавок выступили оксиды редкоземельных элементов европия и гадолиния.

Благодаря этой методике происходит равномерное распределение люминофор изначально равномерно распределяется в стеклянной матрице. Эта технология позволяет получить готовые люминесцентные стёкла за один шаг, тогда как более распространённый способ предполагает раздельное изготовление люминофора с последующим нанесением на стекло. 

«Мы получили эффективно люминесцирующее стекло с высокими эксплуатационными характеристиками. При длине волны возбуждения около 400 нМ регистрировали излучение 612 нМ, а квантовый выход приблизился к 100. Фактически это означает, что практически каждый поглощённый фотон приводит к испусканию нового фотона. Это ситуация, при которой потери энергии, идущей на излучение света, минимальны. Также новый материал обладает высокой температурой размягчения по сравнению с люминофорами на полимерной основе, что допускает многократное его использование», — рассказала руководитель работы, кандидат химических наук, заведующая кафедрой физической и неорганической химии СФУ Любовь Денисова. 

Сейчас специалисты рассматривают частичную замену оксида германия в стекле на оксид кремния, как более экономичного материала, с сохранением люминесцентных свойств.

«При получении стёкол, обладающих люминесцентными свойствами, как известно из работ коллег и собственных экспериментов, введение других редкоземельных элементов, например, тербия и церия, позволит смещать спектр излучения или повышать его интенсивность без ухудшения термической стабильности, что не маловажно для практического применения», — уточнила Любовь Денисова.

К материалу, использующемуся в тепличных условиях, предъявляются повышенные требования по термической стойкости, влагостойкости и устойчивости к перепадам температуры. Также желательно, чтобы материал не требовал дополнительного защитного покрытия. Предложенный учёными СФУ материал может помещаться в виде тонкой пластины на диод, не требует дополнительной защиты и, согласно результатам испытаний, выдерживает высокие температуры.

Помимо фитоламп такое стекло может, в зависимости от спектра излучения и поглощения, применяться в лазерах, в том числе медицинских, и для изготовления инфракрасных преобразователей.

На сегодняшний день в СФУ получены экспериментальные образцы нового люминесцирующего стекла, ведётся разработка стекла требуемых геометрических параметров (длина, ширина, толщина), пригодного для изготовления фитоламп.

«Уже проведены испытания нашего материала по интенсивности свечения люминофора, его основным базовым характеристикам, оптическим характеристикам, термической стойкости, влагостойкости, и показатели эти высокие. Следующим шагом станут дополнительные испытания, по итогам которых получим стекло, необходимое для изготовления фитомодуля. Это стекло будет выгодно отличаться от того, как сейчас изготавливают люминофоры, когда порошковая стадия и нанесение производятся по отдельности. В этом есть очевидная экономическая выгода — предложить промышленности готовый материал, из которого можно изготавливать фитолампы для агрохолдингов», — пояснила Любовь Денисова.

В этом году СФУ также реализует научно-популярный проект «Сибирское редкоземье. Металлы для жизни» при поддержке Минобрнауки России в Десятилетие науки и технологии.