Химики впервые в мире получили пластины на основе серебра и таллия

10:20, 3 марта 2021

Материал пропускает излучение в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах

Поликристаллические пластины получаются диаметром 1–2 см и толщиной от 300 до 700 микрон. Фото: Елизавета Пермякова .

Сотрудники научной лаборатории волоконных технологий и фотоники Уральского федерального университета впервые в мире получили поликристаллические пластины на основе твердых растворов галогенидов серебра и таллия. Пластины обладают уникальной способностью — пропускают излучение в видимом и инфракрасном спектрах, а также в терагерцовом диапазоне частот. Статья с описанием работы опубликована в журнале Optical Materials.

Терагерцовое излучение проникает в живой организм, но в отличие от рентгеновского, не причиняет вреда, так как не является ионизирующим. Источники терагерцового излучения с оптическими материалами для его передачи можно использовать вместо рентгеновских аппаратов и приборов магнитно-резонансной томографии в обследованиях головного мозга, сосудов, тканей, скелета, раковых опухолей. Кроме того, поликристаллические световоды (волокна), которые получили ученые УрФУ, пригодны для диагностики заболеваний как верхних слоев организма (например, кожи), так и внутренних органов.

«В этом случае не применимы волокна на основе токсичного таллия, зато волокна на основе галогенидов серебра абсолютно безопасны. Кроме того, они отличаются повышенной пластичностью, и значит — не нуждаются в сложной многослойной защите. Также намного легче стерилизуются, чем кварцевые или полимерные волокна», — подчеркивает младший научный сотрудник научной лаборатории волоконных технологий и фотоники Анастасия Южакова.

Поликристаллические материалы, полученные химиками УрФУ, также можно использовать в устройствах с терагерцовым излучением для сканирования людей и багажа, например, на вокзалах и в аэропортах.

«Открывается сразу несколько преимуществ: не нужно устанавливать дорогостоящие и громоздкие металлодетекторы, создавать очереди на подходе к ним, подвергать пассажиров вредному рентгеновскому излучению. Использование терагерцового излучения дает возможность проводить сканирование на расстоянии нескольких десятков метров — человек не почувствует и не узнает о том, что его „досматривают“», — описывает участник исследовательского коллектива, научный сотрудник научной лаборатории волоконных технологий и фотоники УрФУ Дмитрий Салимгареев.

Процесс изготовления поликристаллических пластин уникален. Он начинается с получения сырья — шихты, из которой затем выращивают кристаллы. Методику синтеза шихты разработала профессор кафедры физической и коллоидной химии УрФУ, главный научный сотрудник научной лаборатории волоконных технологий и фотоники Лия Жукова. Синтез обладает рядом преимуществ. Во-первых, цикл замкнутый, поэтому производство безотходное. Во-вторых, энергосберегающий, так как протекает при невысоких температурах. Главное — уже первая стадия синтеза дает высокую степень очистки шихты от примесей, близкую к стопроцентному содержанию галогенидов серебра и таллия.

На втором этапе синтеза в установках из шихты выращивают монокристаллы. Установки созданы под руководством профессора кафедры физической и коллоидной химии, руководителя научной лаборатории волоконных технологий и фотоники Александра Корсакова. Заготовки, вырезанные из монокристаллов и нагретые при температуре 150–200 ℃, помещают в пресс и подвергают нагрузке, эквивалентной 6–10 тоннам. Так методом горячего прессования, который также разработан в лаборатории, и при последующем охлаждении исследователи получают поликристаллические пластины с поверхностью оптического качества, диаметром 1–2 см и толщиной от 300 до 700 микрон. Преимущественное содержание брома и хлора придает пластинам зеленовато-желтый оттенок, соединений таллия и йода — красноватый.

«Метод горячего прессования позволяет при небольших энергозатратах получить высококачественную — однородную и не имеющую дефектов — оптическую поверхность, не требующую дальнейшей химико-механической обработки — шлифовки, полировки и так далее, а значит, и применения соответствующего дорогостоящего оборудования», — комментирует Дмитрий Салимгареев.

Мало какие кристаллические материалы способны охватить настолько широкий диапазон электромагнитных волн. Терагерцовый спектр частот находится между средним и дальним инфракрасным, с одной стороны, и микроволновым — с другой.

«Пропускная способность наших кристаллических материалов в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах достигает 76%. Это исключительный показатель. На сегодня в мире насчитывается всего три класса таких материалов — высокоомный кремний, сапфир и наши кристаллы на основе галогенидов серебра и таллия. Кроме них, в терагерцовом диапазоне используются и некоторые полимеры, но они не обладают такой же прозрачностью, стойкостью к температурным нагрузкам и давлению», — поясняет Анастасия Южакова.

Еще один важный результат исследований — учебник «Перспективные терагерцовые материалы: кристаллы и керамика», выпущенный издательством Уральского федерального университета. Это первый подобный учебник в нашей стране.

«В учебнике, написанном с опорой на обширный перечень отечественной и зарубежной литературы, содержится подробный обзор истории обнаружения и исследований терагерцового излучения, создания его источников и материалов, работающих в этом излучении, в том числе созданных в нашей лаборатории, дается детальное описание синтеза и характеристик этих материалов», — рассказывает соавтор учебника, младший научный сотрудник научной лаборатории волоконных технологий и фотоники УрФУ Александр Львов.

Отметим, Лия Жукова является родоначальником исследований соединений галогенидов серебра. Еще в советское время она впервые синтезировала кристаллы системы AgCl-AgBr. Описанные результаты — это продолжение данного научного направления. Ученые расширили элементную базу, включили в нее соединения с таллием и йодом, провели синтез новых материалов и изучили их свойства.

Проект реализован благодаря финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, государственный контракт № FEUZ-2020-0058 (Н687/42Б.223/20), и Российского научного фонда (проект № 18-73-10063).