Неорганические кристаллы, выращенные из воды, излучают «закрученный» свет

Исследователи из Университета Кумамото обнаружили, что чисто неорганический кристалл, выращенный из водного раствора, может испускать циркулярно поляризованный свет — особую форму света, «закрученность» которого различает левое и правое.

Монокристаллы нитрата европия-калия, K₃[Eu₂(NO₃)₉], выращенные из воды методом медленного испарения (a). Рентгеноструктурный анализ монокристалла выявляет лево- и правосторонние хиральные кристаллические структуры (c, d). Под ультрафиолетовым светом кристаллы испускают яркое красное циркулярно поляризованное свечение (b), демонстрируя, что объёмный кристалл чисто неорганической природы может проявлять оптическую активность, индуцированную хиральностью. Это исследование открывает новые возможности для создания прочных оптических материалов. Автор: Иномата и др.

Результаты, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, открывают новый путь к созданию надёжных оптических материалов для защитной печати, продвинутых дисплеев и фотонных технологий с использованием простой неорганической химии вместо сложных органических молекул.

Циркулярно поляризованная люминесценция (CPL) возникает, когда светоизлучающий материал предпочтительно испускает либо лево-, либо правосторонний циркулярно поляризованный свет.

До сих пор большинство материалов с CPL основывались на органических или органо-неорганических гибридных соединениях, которые могут быть химически нестабильными и сложными для масштабирования. Демонстрация CPL в объёмном, полностью неорганическом кристалле оставалась серьёзной проблемой.

Команда Университета Кумамото под руководством доцента Юске Иноматы сосредоточилась на хиральной неорганической структуре, известной как нитраты лантаноидов калия. Эти кристаллы могут существовать в лево- и правосторонних формах, несмотря на то, что состоят только из простых ионов.

Включив ионы европия, известные своим ярко-красным свечением, в эту структуру, исследователи создали монокристаллы нитрата европия-калия, K₃[Eu₂(NO₃)₉].

Примечательно, что кристаллы можно вырастить простым испарением водного раствора, содержащего нитрат калия и нитрат европия. По мере высыхания раствора спонтанно образуются монокристаллы миллиметрового размера, разделяющиеся на лево- и правосторонние кристаллы в процессе, известном как спонтанное разрешение.

С помощью поляризационного микроскопа исследователи могли визуально отличить две формы по их разным цветам, сделав хиральность непосредственно наблюдаемой.

При освещении ультрафиолетовым светом кристаллы испускают интенсивный красный свет, происходящий от характерных электронных переходов европия. Детальные оптические измерения выявили чёткую циркулярно поляризованную люминесценцию с большими факторами диссимметрии и исключительно высоким квантовым выходом люминесценции в 96%. Это показывает, что даже объёмный неорганический кристалл без каких-либо органических компонентов может эффективно генерировать хиральный свет.

Исследование демонстрирует, что контроля расположения ионов и симметрии внутри неорганических кристаллов достаточно для индукции продвинутых хирально-оптических свойств. По словам учёных, эта работа предоставляет стратегию проектирования для разработки новых CPL-материалов, сочетающих долговечность неорганических твёрдых тел с совершенной оптической функциональностью.

Результаты подчёркивают потенциал простого, водного выращивания кристаллов для производства материалов фотоники следующего поколения с практичным и масштабируемым применением.

Источник: Kumamoto University