Спекание при 1400°C и эффект ап-конверсии превращают инфракрасный лазер в зелёное и красное свечение
Учёные Кольского научного центра (КНЦ) СО РАН и Санкт-Петербургского государственного технологического института (СПбГТИ ТУ) синтезировали керамические твёрдые растворы на основе ниобатов-танталатов эрбия. Материал сочетает люминесценцию с эффектом ап-конверсии, бактерицидные свойства и механическую прочность, превосходящую некоторые марки стали. Исследование опубликовано в журнале Ceramics, сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ.
Как получают материал
Для синтеза образцов применили жидкофазный метод: гидроксиды осаждали из растворов, затем спекали в печи при 1400°C. В отличие от обычных люминофоров, которые поглощают энергию и излучают свет с меньшей энергией, новая керамика работает «наоборот» — она поглощает инфракрасное излучение (например, лазер с длиной волны 980 нм) и преобразует его в видимый зелёный или красный свет.
Учёные установили, что равное соотношение ниобия и тантала в составе создаёт синергетический эффект: интенсивность свечения в видимой области превысила показатели чистого ниобата или чистого танталата эрбия. Это открывает путь к сверхчувствительным оптическим температурным сенсорам.
Бактерицидное действие и прочность
Порошок ErNbO₄ испытали на трёх видах микроорганизмов: грамположительных, грамотрицательных и спорообразующих бактериях. Под действием обычного дневного света керамика уничтожала до 90% популяции. В темноте эффект снижался вдвое — выживало около половины бактерий.
Чистый ниобат эрбия и образцы с небольшим добавлением тантала продемонстрировали наилучшие показатели прочности, превзойдя некоторые марки стали. Такая керамика пригодна для изготовления датчиков и счётчиков, работающих в условиях высоких механических нагрузок.
Где применят разработку
Авторы исследования выделили несколько направлений:
- производство лазеров, светодиодов и оптических усилителей для систем связи;
- медицина — контрастные агенты для биоимиджинга (визуализации процессов внутри организма) и фотодинамическая терапия инфекций;
- покрытия фильтров для очистки воды и сточных вод — стерилизация среды под действием света;
- бесконтактные термометры для агрессивных сред, где обычная электроника выходит из строя.
Синергия равного соотношения ниобия и тантала позволила впервые совместить в одном материале ап-конверсионную люминесценцию, высокую механическую прочность (выше некоторых сталей) и фотоиндуцированную бактерицидность (уничтожение 90% бактерий на свету).
Такого рода керамика решает сразу несколько задач: позволяет создавать бесконтактные оптические датчики для агрессивных сред, эффективные фотодинамические терапевтические агенты и покрытия для самостерилизующихся систем водоочистки — без использования дополнительной химии или ультрафиолета.