Российский ученый описал структуру и свойства нового вещества, полученного его китайскими коллегами. Это слоистые кристаллы гидроксидов редкоземельных металлов Ln₂(OH)₄SO₄ (Ln=Eu–Lu, Y), из которых экологически чистым способом легко получить люминофоры – вещества, преобразующие электрическую энергию в свечение, – для панелей, экранов и других электронных устройств. Об открытии физика из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института физики им. Л.В. Киренского (ИФ) СО РАН сообщается в журнале Chemistry: A European Journal.

Открытие произошло, как часто бывает, случайно. Китайские исследователи синтезировали новое порошковое вещество, смешивая в разных пропорциях нитраты редкоземельных элементов с сульфатами и гидратами аммония. Поскольку в его составе присутствовали редкоземельные элементы, соединение обладало люминесцентными свойствами, при этом спектр его был уникален и не похож на спектры ожидаемых известных веществ. К удивлению ученых, сравнение его рентгенограммы с таковыми из базы данных не дало соответствия. Следовательно, вещество не просто имеет новый состав, но и открывает новый класс соединений.

Для начала перед учеными стояла задача охарактеризовать кристаллическую структуру веществ – определить, из каких атомов оно состоит и как эти атомы упорядочены относительно друг друга.

«Сложность состояла в том, что вещество никак не удавалось получить в виде монокристалла, следовательно, стандартными монокристальными рентгеновскими способами воспользоваться было нельзя. Задача же определения структуры из порошка крайне сложна и требует огромного опыта работы и знаний», — отметил соавтор статьи, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИФ СО РАН и старший преподаватель СФУ Максим Молокеев.

Именно эту задачу китайские ученые и попросили решить Максима Молокеева. Он успешно расшифровал порошковую рентгенограмму. Выяснилось, что новый материал состоит из тетраэдров SO₄^2— и ионов редкоземельных элементов, окруженных атомами кислорода в форме трехшапочной тригональной призмы. При этом тетраэдры SO₄ разупорядочены по нескольким положениям, то есть эти структурные элементы постоянно меняют свою ориентацию в пространстве и времени (что осложняет решение структуры).

Максим Молокеев. Структура нового вещества

Обнаруженная структура подтвердила уникальность этого слоистого соединения: оно действительно относится к новому, ранее неизвестному классу. Вдобавок установлено, что новое соединение обладает очень редкими и ценными свойствами. При нагреве до 800℃ из него испаряется вода и получаются люминофоры, пригодные для использования в промышленных масштабах (например, в экранах). Обычно такие люминофоры получают «грязным» способом – с выделением токсичных побочных продуктов. Новое же вещество позволяет добиться нужных соединений экологически чистым способом.

В будущем этот класс веществ однозначно пополнится новыми изоструктурными соединениями, в которых происходит лишь замещение одних ионов на другие без кардинального преобразования структуры. Эти новые соединения вполне могут быть использованы, например, в производстве катализаторов, в микроэлектронике, для защиты от ультрафиолета и в других перспективных областях науки и техники.