Один атом серебра увеличил свечение нанокластеров в 77 раз

Иллюстрация механизма, с помощью которого дополнительный атом серебра повышает квантовый выход фотолюминесценции высокоядерных Ag нанокластеров. Автор: Юити Негиша и др. Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c10289

Международная группа исследователей из Университета Тохоку, Токийского университета науки и Института молекулярных наук обнаружила, как точное добавление всего одного атома серебра (Ag) может кардинально изменить светоизлучающие свойства высокоядерных нанокластеров (NC) серебра.

Исследование сообщает о впечатляющем 77-кратном увеличении квантового выхода фотолюминесценции (PL QY) при комнатной температуре — это важная веха, открывающая путь для практического применения в оптоэлектронике и сенсорных технологиях.

Результаты работы опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Квантовый выход фотолюминесценции — важный показатель, используемый для оценки эффективности фотолюминесценции, то есть того, насколько хорошо материал может поглощать энергию и преобразовывать её в свет. Улучшение PL QY положительно сказывается на таких технологиях, как OLED-экраны телевизоров.

Однако одного выбора материалов с высоким PL QY недостаточно. Например, нанокластеры серебра изначально имеют низкую эффективность фотолюминесценции, что долгое время ограничивало их практическое применение, несмотря на огромный потенциал их уникальных оптических свойств.

Чтобы детальнее изучить взаимосвязь структуры и свойств, команда синтезировала и сравнила два близкородственных анион-темплатированных нанокластера серебра: [SO₄@Ag₇₈S₁₅(CpS)₂₇(CF₃COO)₁₈]⁺: Ag₇₈ NC (CpS: циклопентантиолат) и [SO₄@Ag₇₉S₁₅(ⁱPrS)₂₈(ⁱPrSO₃)₁₅(CF₃COO)₄]: Ag₇₉ NC (ⁱPrS: изо-пропилтиолат). Оба нанокластера имеют общую структурную основу, с ключевым отличием в виде одного дополнительного атома Ag в самом внешнем слое нанокластера Ag₇₉.

Это добавление было достигнуто за счёт тонких модификаций поверхностно-защитных лигандов, в частности in situ генерируемой группы ⁱPrSO₃^-, которая создала полость в структуре нанокластера, позволившую включить дополнительный атом. Хотя основные структуры остались в значительной степени неизменными, модификация оболочки оказала глубокое влияние.

В нанокластере Ag₇₉ добавленный атом серебра усилил скорости радиационного распада и придал кластеру большую жёсткость. Эта жёсткость эффективно подавила пути безызлучательного распада, которые обычно снижают эффективность люминесценции.

Сочетание этих факторов — усиленного радиационного распада из-за снижения симметрии и уменьшенных безызлучательных потерь из-за структурной жёсткости — позволило нанокластеру Ag₇₉ продемонстрировать впечатляющее 77-кратное улучшение квантового выхода фотолюминесценции по сравнению с Ag₇₈ при комнатной температуре.

«Это первое чёткое доказательство того, что включение всего одного дополнительного атома серебра, направляемое дизайном лигандов, может кардинально повысить производительность, — пояснил профессор Негиша. — Наши открытия открывают путь для рационального проектирования эффективных светоизлучающих нанокластеров с помощью структурных модификаций на атомном уровне».

Благодаря этому новому достижению исследователи ожидают появления новых возможностей для применения нанокластеров серебра в высокопроизводительных светоизлучающих устройствах, биовизуализации и каталитических системах, где эффективная люминесценция при комнатной температуре имеет критическое значение.

ИИ: В 2025 году, когда эффективность и энергосбережение становятся ключевыми приоритетами, такие фундаментальные открытия в нанотехнологиях могут ускорить разработку более ярких и долговечных дисплеев следующего поколения, а также высокочувствительных биомедицинских сенсоров.