Аэрогели — это материалы, представляющие собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Вследствие этого вещество обладает рекордно низкой плотностью, а также рядом других уникальных качеств: они прочные (образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса), имеют чрезвычайно низкую теплопроводность и развитую удельную поверхность. Все это позволяет применять аэрогели для широкого спектра задач. Например, на основе таких материалов изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения. Кроме того, аэрогели могут обладать также рядом полезных биологических свойств, что делает их перспективным материалом для использования в биомедицине.
Одной из самых актуальных задач в этой области на сегодняшний день является поиск новых люминесцирующих агентов, что позволит решить задачи биовизуализации и ранней диагностики заболеваний. В большинстве используемых материалов люминесценция происходит по обычному механизму: поглощается излучение с короткой длиной волны, а излучается в длинноволновой части спектра.
Однако можно создать принципиально новый класс материалов, которые способны преобразовывать инфракрасное излучение в видимое за счет явления апконверсии. В этом случае преобразование происходит за счет сложения двух и более длинноволновых фотонов с низкой энергией в один, обладающий более высокой энергией.
При разработке таких материалов, обладающих апконверсионными свойствами, используются комплексы редкоземельных элементов. Это сложный процесс, который предполагает синтез в несколько этапов. Ученые из международной научной лаборатории SCAMT Университета ИТМО разработали более простой, универсальный метод получения апконверсионных аэрогелей на основе оксидов металлов (циркония, гафния и тантала), допированных редкоземельными элементами эрбия и иттербия.
Тщательно подобранные условия синтеза позволили получить материалы с равномерно включенными в структуру оксидов допантами (модифицирующими добавками, необходимыми для придания оптических свойств материалу) и уникальными люминесцентными характеристиками.
«Известно, что можно получать светящиеся аэрогели, используя редкоземельные элементы. Но в этом случае необходимо создавать гибридный материал, то естьсмешивать две фазы. Нам же впервые удалось внедрить ионы редкоземельных элементов в оксидную решетку в одну стадию и получить монолитный апконверсионный аэрогель — в нашем случае на спектре видна только фаза оксида, абсолютно без примесей, — рассказывает Григорий Киселев, первый автор статьи, сотрудник международной лаборатории SCAMT.
Первоначально исследователи получили светящийся оксид циркония, допировав матрицу оксида редкоземельными элементами, после чего им удалось получить аэрогель этого материала. Проработав технологию, они применили ее для получения аэрогелей и для других материалов по такой же аналогии. В частности, ученые лаборатории SCAMT успешно опробовали метод, используя оксид гафния и оксид тантала, и показали, что на их основе также можно создать светящиеся аэрогели. В перспективе, как отмечают авторы исследования, этот метод можно применить и к другим оксидам.
Сочетание таких свойств, как биосовместимость, высокая площадь поверхности и апконверсионная люминесценция, открывают широкий круг возможных применений полученных материалов: от оптики и фотоники до медицины, — добавляет Григорий Киселев.
Прежде всего, применение таких материалов безопасно для человека: инфракрасное излучение способно проникать в биоткани на максимальную глубину, не повреждая их. Кроме того, при ИК-возбуждении минимизируется автолюминесценция биотканей, что позволяет повысить точность исследований. Все это делает такие материалы перспективными для использования, например, в качестве люминесцентных зондов в биологических исследованиях и для флуоресцентной диагностики и лечения раковых заболеваний.
Работа была выполнена при поддержке Гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований, № 18-29-11078.
Статья: Upconversion Metal (Zr, Hf, Ta) Oxide Aerogels, Kiselev Grigorii; Kiseleva Aleksandra; Ilatovskii Daniil; Koshevaya Ekaterina; Nazarovskaia Daria; Gets Dmitry; Vinogradov Vladimir; Krivoshapkin Pavel; Krivoshapkina Elena, Chemical Communications, DOI: 10.1039/c9cc02452b, 2019.
(автор Елена Меньшикова)
