اكتشف العلماء الروس سبب سلوك اليوروبيوم بشكل سيء

تُستخدم المواد المضيئة المعتمدة على معادن أرضية نادرة – اللانثانيدات – في كل مكان: من شاشات الهواتف الذكية إلى أجهزة الاستشعار الطبية. ويحتل اليوروبيوم مكانة خاصة بينهم. وهو مسؤول عن التوهج الأحمر النقي تمامًا في شاشات العرض. لتكوين صورة ملونة كاملة في شاشات العرض، هناك حاجة إلى ثلاثة ألوان أساسية: الأحمر والأزرق والأخضر. إذا لم يكن اللون الأحمر نقيًا بدرجة كافية وله ظلال غريبة، فإن هذا يعطل عرض اللون: تفقد الصورة التشبع وتبدو غير طبيعية. في المواد غير العضوية، تم استخدام اليوروبيوم منذ فترة طويلة لإنتاج انبعاث أحمر ساطع. في الوقت نفسه، يحتاج الكيميائيون إلى خيارات أرخص وأكثر تقدما من الناحية التكنولوجية – المركبات العضوية التي يسهل معالجتها وتطبيقها على الأسطح. وللقيام بذلك، يتم ربط جزيئات ليجند خاصة بأيون اليوروبيوم، والتي تعمل بمثابة “هوائيات”: فهي تمتص الطاقة الخارجية، مثل الضوء فوق البنفسجي، وتنقلها إلى أيون المعدن، مما يتسبب في انبعاثها. ومع ذلك، عندما يرتبط اليوروبيوم بهذه الروابط، تنخفض شدة التلألؤ بشكل حاد؛ نفس جزيئات الهوائي بدورها “تشغل” ضوء اللانثانيدات الأخرى – التيربيوم والسماريوم. فريق دولي من الباحثين بمشاركة كيميائيين من المدرسة العليا للاقتصاد بجامعة الأبحاث الوطنية، معهد ليبيديف الفيزيائي، جامعة موسكو الحكومية، معهد الكيمياء العضوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، جامعة بومان موسكو التقنية الحكومية، L.D. اي تي بي. درس لانداو أسباب هذا السلوك لليوروبيوم. ولهذا الغرض، تم تصنيع ثلاث سلاسل من مركبات السماريوم واليوروبيوم والجادولينيوم مع الأسيلبيرازولونات. ونشرت النتائج في مجلة معاملات دالتون. استغرق نمو البلورات عشر سنوات. بعد فك رموز هيكلها، بدأ العلماء في دراسة تلألؤ المركبات الناتجة. قاموا بتشعيع العينات بالأشعة فوق البنفسجية وقاسوا مدى سطوعها، وبأي طول موجي، ومدى سرعة تلاشي التوهج. تم إجراء التجربة الرئيسية في درجات حرارة منخفضة للغاية (196 درجة مئوية تحت الصفر): تبريد العينات “يوقف” العديد من عمليات الضوضاء ويسمح للمرء برؤية الآليات الخفية لنقل الطاقة. ونتيجة لذلك، تمكن المؤلفون من إظهار أنه من خلال تغيير تكوين المجمع (على سبيل المثال، استبدال الأيون المضاد – أيون بشحنة معاكسة، والتي تقع بجوار المجمع الرئيسي لموازنة الشحنة)، من الممكن قمع التبريد جزئيًا و”تشغيل” ضوء اليوروبيوم حيث لم يكن هناك ضوء من قبل. عادة، يلتقط المركب الطاقة الضوئية وينقلها إلى الأيون المعدني، الذي يأخذها ويطلقها مرة أخرى على شكل توهج. هذا هو التلألؤ. ولكن في مجمعات اليوروبيوم، على عكس مجمعات السماريوم، تم اكتشاف حالة إضافية مع نقل الشحنة. هذه هي العملية التي يتم من خلالها نقل كثافة الإلكترون (“سحابة” الشحنة السالبة التي تخلقها الإلكترونات حول الذرات) من اللجند إلى أيون المعدن، مما يخلق قناة بديلة لفقد الطاقة دون انبعاث الضوء. تعترض القناة الطاقة التي كان ينبغي أن تدخل في التوهج وتبددها دون أن يترك أثرا على شكل حرارة. ونتيجة لذلك، لا يتلقى اليوروبيوم الكمية المطلوبة من الطاقة ولا ينبعث منه الضوء. “لقد درسنا بالتفصيل خصائص الانارة لجميع المركبات الناتجة ووجدنا أخيرًا سبب السلوك “السيء” لليوروبيوم. على عكس مجمعات السماريوم، يتم تنشيط مسار إضافي لفقدان الطاقة في مجمعات اليوروبيوم – وهي حالة يتم فيها نقل الشحنة من الليجند إلى المعدن. وأوضح الأستاذ المشارك في القسم الأساسي لليجند: “هذا نوع من الثقب الأسود الذي يمتص الطاقة التي يتلقاها أيون اليوروبيوم من الليجند ولا يسمح لهذا الأيون بإصدار الضوء”. الكيمياء غير العضوية وعلوم المواد من معهد الكيمياء غير العضوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم في كلية الكيمياء بالمدرسة العليا للاقتصاد بجامعة الأبحاث الوطنية، باحث أول في P.N. ليبيديف راس يوري بيلوسوف. قارن العلماء أيضًا نتائجهم مع بيانات رابطة مشابهة جدًا، حيث تم استبدال إحدى مجموعات الفينيل بحلقة cyclohexyl، وهو جزء من الجزيء على شكل حلقة من ست ذرات كربون. اتضح أنه حتى مثل هذا الاستبدال الصغير يغير الوضع بشكل جذري مع نقل الشحنة، وللأفضل: تتوقف “النافذة السوداء” عن العمل، ويبدأ اليوروبيوم أخيرًا في التوهج. وهذا يؤكد تخمينات الباحثين حول طبيعة قمع توهج اليوروبيوم. “في السابق، كان الكيميائيون يعرفون ببساطة أن اليوروبيوم ليس صديقًا للأسيلبيرازولونات، لكن الأسباب كانت غير واضحة. الآن نحن نفهم الآلية. تسمح لنا هذه المعرفة باختيار البيئة المناسبة لأيون اليوروبيوم – الكاتيون الصحيح والبنية المعقدة – لمنع حالات نقل الشحنة غير المرغوب فيها. إذا تمكنا من التحكم في هذه العملية، فيمكننا إنشاء ليس فقط مواد حمراء زاهية لشاشات العرض، ولكن أيضًا موازين حرارة فلورسنت حساسة للغاية وأجهزة استشعار كيميائية تعتمد على اليوروبيوم. ولكن قبل هذا العمل، كان اليوروبيوم يضيف يوري بيلوسوف: “كانت المجمعات التي تحتوي على هذه الروابط تعتبر عديمة الفائدة عمليا لإنشاء مواد مضيئة”. تم دعم الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الروسية ووزارة العلوم والتعليم العالي في الاتحاد الروسي.