Удивительные лантаноиды: ученые провели глобальную систематизацию свойств редкоземельных металлов

Европий

© Wikemedia Commons

Доцент факультета химии ВШЭ Юрий Белоусов совместно с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова, ФИАН им. П.Н. Лебедева и итальянскими учеными из университета Камерино опубликовали обзор, в котором сравнили и изучили более 200 азолкарбоксилатов лантанидов. Ученые впервые систематизировали разрозненную в литературе информацию в единый источник, который будет полезен для технологических разработок в области электроники, металлургии, радиомедицины, химической и ядерной промышленности. Обзор опубликован в журнале Coordination Chemistry Reviews.

Лантаниды, или лантаноиды — так называемые редкоземельные элементы, семейство из пятнадцати химических элементов, которые выносят в отдельную строчку внизу таблицы Менделеева. Лантаниды — металлы, достаточно распространенные в природе, однако добыча лантаноидов во многом затрудняется их рассеянностью в породах, и лишь немногие места на Земле могут похвастаться достаточной для разработки месторождений концентрацией. Кроме того, эти элементы являются «близнецами» с очень сходными химическими свойствами, что затрудняет их разделение.

Сегодня лантаниды находят широкое применение в производстве электроники, магнитов, лазеров, оптического волокна, металлургии, химической и ядерной промышленности и множестве других областей. За последние годы многократно увеличилось количество известных ученым соединений лантаноидов, которым нашлось применение в поглощении и хранении газа, биомедицине, оптике и химических сенсорах. Металлические лантаниды (прежде всего, неодим и самарий) входят в состав наиболее распространенных магнитов. Но и другие элементы, благодаря уникальным оптическим и люминесцентным свойствам в виде соединений применяются очень широко, от светодиодов и лазеров до радиомедицины, тонкого органического синтеза и даже защиты банкнот от подделок. Интересно, что для защиты купюр евро используются люминесцентные метки на основе лантанида — европия.

Предметом обширного мета-исследования, опубликованного в журнале Coordination Chemistry Reviews, стала особая группа соединений лантаноидов, содержащая азолкарбоновые кислоты. Азолы — углеродные кольца, состоящие из пяти элементов, содержащие в себе один или несколько атомов азота вместо атомов углерода. В зависимости от количества и положения атомов азота выделяют, в частности, пиразол, имидазол, 1,2,3-триазол, 1,2,4-триазол и тетроазол, содержащие два, три и четыре атома азота, соответственно. Карбоксильная группа — «хвост» карбоновых кислот -COOH, который и определяет кислотные свойства любых соединений, которые имеют его в составе.

Для каждой возможной области применений азолкарбоксилаты лантанидов обладают уникальными преимуществами.

Так, люминесцентные свойства ионов лантанидов обычно сложно использовать, так как эти ионы плохо поглощают свет. Но азолкарбоксилат-анионы могут выступать в качестве эффективной «антенны», отлично поглощая ультрафиолет и передавая энергию на ионы лантанидов и помогая им светиться всеми цветами, от голубого (соединения тулия) до зеленого (тербий), желтого (диспрозий), красного (европий) и даже инфракрасного (неодим, эрбий и иттербий).

Такие люминесцентные материалы могут применяться не только в OLED-дисплеях, но и в качестве люминесцентных сенсоров. Эти устройства измеряют концентрацию различных молекул или ионов в воде и воздухе, меняя цвет люминесценции при появлении определяемых веществ.

Положение лантанидов внизу таблицы связано с заполнением уникального 4f-электронного подуровня. Электроны этого уровня определяют магнитные свойства лантанидов, что проявляется как в обычных магнитах, так и в новых уникальных материалах — молекулярных магнетиках. Для создания этих материалов требуется близко расположить несколько ионов лантанидов, и структура азолкарбоксилатных лигандов помогает их в достаточной степени «сблизить».

Кроме того, азолкарбоксилаты лантанидов исследуются в качестве катализаторов, материалов для разделения и хранения газов и в некоторых других областях. Этому способствует то, что изученные лиганды и ионы лантанидов образуют уникальные структуры — каркасные металлорганические полимеры (МОКП или MOF, Metal Organic Frameworks).  

«Столь огромное разнообразие структур, включающих в себя азоловые карбоксилаты лантаноидов, открывает удивительные возможности для создания новых материалов с фотолюминесцентными, сенсорными, магнитными и каталитическими свойствами, — считает доцент факультета химии ВШЭ Юрий Белоусов. — Для этого надо тщательно сравнить свойства и способы получения различных соединений. Мы сделали первый шаг в этом направлении — впервые систематизировали разрозненную в литературе информацию в единый источник, который будет полезен для технологических разработок».