მეცნიერებმა იშვიათი მიწათა ელემენტების ფერისა და სიკაშკაშის კონტროლის მეთოდი აღმოაჩინეს. როგორც წესი, ამ ელემენტთა ნათება პროგნოზირებადია. მაგალითად, ცერიუმის იონები სინათლეს ძირითადად ულტრაიისფერ შუალედში ასხივებენ.

ახლა კი მეცნიერებმა აჩვენეს, რომ ამ გამოსხივების შეცვლა შესაძლებელია. მათ სპეციალური ქიმიური გარემო შექმნეს, რის შედეგადაც ცერიუმის იონმა ყვითლად გაანათა, ნაცვლად ჩვეული ულტრაიისფერი სინათლისა. ამ მიგნებამ შეიძლება კომპლექსური სინათლის რესურსების განვითარებას შეუწყოს ხელი, ისევე როგორც ეკრანების ტექნოლოგიისა და ლაზერული სისტემების.

იშვიათი მიწათა ელემენტები დიდ როლს თამაშობს ისეთ სფეროებში, როგორებიცაა, მიკროელექტრონიკა, მანათობელი დიოდები (LED) და ფლუორესცენციური მასალები. ეს იმის დამსახურებაა, რომ ამ ელემენტებს სინათლის ზუსტად განსაზღვრულ ფერებში გამოსხივება შეუძლია. ეს, თავის მხრივ, ენერგიის გამოყოფისა და შთანთქმის დროს მათი ელექტრონების ქცევის დამსახურებაა.

ზოგჯერ ატომის ერთ-ერთი ელექტრონი ენერგიის უფრო მაღალ დონეზე გადადის. ეს მაშინ ხდება, როდესაც ატომი ენერგიას ისეთი წყაროდან შთანთქავს, როგორებიც სინათლე ან ელექტრული დენია. ეს აგზნებული მდგომარეობა არასტაბილურია. ცოტა ხანში ელექტრონები ენერგიის საწყის დონეს უბრუნდება და ჭარბ ენერგიას სინათლის სახით გამოყოფს. ამ პროცესს ლუმინესცენციას ეძახიან.

ორბიტალური გადასვლები და მათი ტიპური სტაბილურობა

იშვიათი მიწათა ელემენტების შემთხვევაში ნათებას 4f ორბიტალებს შორის ელექტრონთა გადასვლები იწვევს. 4f ორბიტალი ატომის ბირთვის გარშემო არსებული რეგიონია, სადაც ელექტრონები მოძრაობს. როგორც წესი, ამ გადასვლების ენერგიები ფიქსირებულია. ეს იმას ნიშნავს, რომ ნათების ფერი მუდმივია — ცერიუმი უხილავ ულტრაიისფერ სინათლეს ასხივებს, ტერბიუმი კი მწვანედ ანათებს.

4f ორბიტალები ატომის სიღრმეშია და გარემოსთან მინიმალურად ურთიერთქმედებს. ამის საპირწონედ, 5f ორბიტალები გარემოს გავლენისადმი მგრძნობიარეა, მაგრამ ლანთანოიდების ლუმინესცენციაში წვლილი არ მიუძღვის. ამის მიზეზი მათი ჭარბი ენერგიაა.

ლანთანოიდები 15 ქიმიური ელემენტია, 57-ე ნომრიდან (ლანთანი) 71-ის ჩათვლით (ლუტეციუმი). ამ ელემენტებს საერთო ქიმიური თვისებები აქვს — ნათება და რეაქტიულობა. მათ ხშირად ელექტრონიკაში, მაგნიტებსა და კომპლექსურ მასალებში იყენებენ.

ამისდა მიუხედავად, მეცნიერებმა აჩვენეს, რომ თუ მეტალების ქიმიურ გარემოს შევცვლით, რადიაციის ფერიც შეიცვლება. მათ ცერიუმის, პრაზეოდიმისა და ტერბიუმის კომპლექსების სინთეზი მოახდინეს. ამისთვის ორგანული ლიგანდები — მეტალის იონების გარშემო არსებული მოლეკულები — გამოიყენეს. ეს ლიგანდები კომპლექსთა გეომეტრიას აყალიბებს და მათ თვისებებზე ახდენს გავლენას.

ეს ანიონები ნახშირბადის ატომების ხუთკუთხედისგან შედგება. მათზე დიდი ორგანული ფრაგმენტებია მიმაგრებული, შედეგად კი კომპლექსისთვის აუცილებელ სტრუქტურას ვიღებთ. გარემო იონის ირგვლივ სპეციალურ ელექტროსტატიკურ ველს წარმოქმნის, რის შედეგადაც 5d ორბიტალების ენერგია და ლუმინესცენციის სპექტრი იცვლება.

ცვლილების მიღმა არსებული მექანიზმი

ნათების ფერის ცვლილება ადრეც შემჩნეულა, თუმცა ვერავინ ახსნა — როგორ. ახალ კვლევაში კი, ქიმიკოსებისა და ფიზიკოსების თანამშრომლობით ამ ეფექტის მიღმა არსებული მექანიზმი გაიშიფრა. მკვლევრებმა ლანთანოიდებისთვის უჩვეულო ელექტრონთა სტრუქტურის მქონე ნაერთები სპეციალურად შექმნეს. ნაცვლად მარტო ერთ მაგალითზე ორიენტირებისა, მათ ნაერთთა მწკრივის სინთეზირება არჩიეს — დაწყებული ცერიუმიდან დამთავრებული ტერბიუმამდე. მეცნიერები დააკვირდნენ, თუ როგორ შეიცვალა მათი თვისებები და ამის საფუძველზე საერთო კანონზომიერებებს მიაკვლიეს.

ტრადიციულ ნაერთებში, ცერიუმი 300-იდან 400-მდე ნანომეტრის დიაპაზონის ტალღის სიგრძის მქონე ულტრაიისფერ სინათლეს ასხივებს. ახალ კომპლექსებში კი, გამოსხივება წითელი ფერის შესაბამის შუალედში გადავიდა, რაც დაახლოებით 655 ნანომეტრს გულისხმობს. ეს ნიშნავს, რომ 4f-სა და 5d-ს ენერგიებს შორის სხვაობა შემცირდა. ელექტრონთა სტრუქტურის მსგავსი გადაადგილება სხვა ლანთანოიდებშიც დაფიქსირდა. ეს ლუმინესცენციის ცვლილებაზეც ანალოგიურად აისახა.

"ამ პროცესის გასაგებად ჯერ ენერგიის გადაცემის პროცესის ახსნაა საჭირო. როგორც წესი, ლიგანდის მოლეკულა ულტრაიისფერ გამოსხივებას შთანთქავს, აგზნებულ მდგომარეობაში შედის და ამ ენერგიას მეტალის ატომს გადასცემს. შედეგად კი სინათლე სხივდება", — განმარტავს დმიტრი როიტერშტაინი, კვლევის თანაავტორი, — "ახალ ნაერთებში კი ეს პროცესი სხვანაირად წარიმართა: ენერგია 4d ელექტრონებს გადაეცა არა პირდაპირ, არამედ შუამავალი 5d მდგომარეობით".

მკვლევრები იმედოვნებენ, რომ ლუმინესცენციის სპექტრის პროგნოზირება სასურველი თვისებების მქონე მასალების შექმნას გახდის შესაძლებელს, რადგან ამას წარუმატებელი ცდების რაოდენობის შემცირება შეუძლია. ასე კი, თავის მხრივ, შეიძლება ახალი და კომპლექსური სინათლის წყაროების შექმნის პროცესი დაჩქარდეს.

კვლევა გამოცემაში Optical Materials გამოქვეყნდა.