Резистентные к радиации металлоорганические комплексы лантаноидов

Команда нижегородских химиков из ИМХ РАН им. Г. А. Разуваева и Университета Лобачевского (ННГУ) обнаружила, что металлоорганические комплексы редкоземельных металлов III группы 6-го периода периодической таблицы (лантаноидов) имеют высокую толерантность к ионизирующему излучению. Соединения светятся в ультрафиолетовых лучах, проявляют магнетизм и трансформируют световую энергию в электрическую. Это открытие в перспективе может быть чрезвычайно полезным в процессе создания технических устройств, подходящих для эксплуатации в космосе, на АЭС и в радиационно-зараженных зонах. Исследование получило грант Российского научного фонда, статья о нем появилась в интернациональном научном издании Scientific reports.

Руководитель проекта профессор ИМХ РАН Михаил Бочкарев отметил, что элементоорганические соединения, имеющие в своей основе редкоземельные металлы являются отличными полупроводниками и обладают выраженной люминесцентностью. Это открывает новые возможности в области создания устройств контроля и отображения информации с повышенной степенью надежности, разработки инновационных приборов для длительного освещения в состояниях с повышенной радиацией. А если говорить о будущем, то столь значительный уровень радиационной устойчивости позволит создать уникальные установки напрямую преобразующие ядерную энергию в электрическую. Таким образом, потенциально данное открытие может привести к созданию АЭС нового типа.

В процессе ионизирующего излучения заряженная частица (ион) может быть создана из незаряженной частицы (атом или молекула). Ионизирующее излучение — это поток, состоящий из электронов, нейтронов, гамма-квантов и остатков атомных ядер. Оно может оторвать электроны от атомов, сдвинуть или разрушить их. Если это происходит в организме, то в нем появляются свободные радикалы и активные формы кислорода, ускоряющие старение и разрушающие клеточные структуры. Примерно такие же негативные процессы происходят при воздействии облучения и в кристаллических соединениях материалов, использующихся для создания электронной техники. Это ведет к изменению свойств вещества в целом, и как итог, появлению неточностей и неисправностей в работе электронных устройств. В настоящее время в условиях высокой радиоактивности используют электронику, созданную из неорганических материалов. Срок бесперебойной эксплуатации такой техники в условиях радиоактивного излучения очень ограничен. Поэтому одним из основных приоритетов в данной области стала разработка инновационных радиационно-устойчивых материалов.

Михаил Бочкарев рассказал, что его команда обнаружила высокую радиационную устойчивость у металл-органических комплексов редкоземельных металлов, а именно, у лантаноидов. Со слов ученого, они могут успешно использоваться для конструирования приборов космических летательных аппаратах или для АЭС, предприятий, занимающихся переработкой и обогащением радиоактивных веществ. Кроме того, устройства, выполненные из таких материалов, станут полезными в зонах радиоактивного заражения.

Первый представитель семейства из 15 редкоземельных металлов III группы 6-го периода периодической таблицы Менделеева (веществ с номерами 57—71), металл, имеющий атомный номер 57, лантан, дал название всему семейству. Лантаноиды обладают схожими химическими свойствами. Особое электронное строение их атомов наделяет их неорганические и органические соединения уникальными свойствами: свечение в ультрафиолетовых лучах, магнетизм и способность переводить световую энергию в электрическую.

В данном исследовании образцы органических комплексов лантаноидов подвергались воздействию потоков нейтронов и гамма-квантов, появившихся в процессе распада урана. Образцы на протяжении нескольких дней находились под постоянным воздействием радиации, кроме того, они периодически облучались высоким уровнем энергии. Доза поглощенной радиации в совокупности оказалось равной 1300 Грей, то есть в тысячу раз превысила смертельную для человека дозу облучения. Поэтапно проводилась оценка цвета и других оптических свойств образцов, также оценивались их форма, внешний вид и электрические характеристики. Кроме того, учеными был проведен сравнительный анализ молекулярных структур кристаллов комплексов до проведения облучения и после него. Изменения в образцах не были обнаружены. Более того, уровень устойчивости к излучению, продемонстрированный в данном исследовании, был на 50% выше, чем у части неорганических веществ, которые применяются сейчас. В частности, уровень облучения в 900 Грей необратимо разрушает электрические свойства кремния в солнечных батареях, а комплексы лантаноидов почти не изменяет.