Ученые открыли новый устойчивый к радиации материал

Химики из Института металлоорганической химии имени Г. А. Разуваева и Нижегородского государственного университета выявили повышенную устойчивость к ионизирующему излучению у металл-органических комплексов лантаноидов – редкоземельных металлов, которые могут светиться при облучении ультрафиолетом, проявлять магнетизм или превращать световую энергию в электричество. Это явление обнаружено впервые и в будущем поможет при создании более устойчивой техники для работы в космосе, на атомных электростанциях и на территориях, зараженных радиацией. Результаты опубликованы в журнале Scientific reports. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

«Металл-органические материалы на основе редкоземельных металлов обладают ценными полупроводниковыми и люминесцентными свойствами. Это обеспечит создание надежных приборов контроля и отображения информации, а также длительного освещения для работы в условиях повышенной радиации, – отмечает Михаил Бочкарев. – Более того, такая высокая радиационная устойчивость поможет в будущем разработать установки для прямого преобразования ядерной энергии в электричество. Это позволит создать атомные электростанции нового поколения».

Ионизирующее излучение способно создавать заряженные частицы, или ионы, из незаряженных атомов или молекул. Оно представляет собой потоки гамма-квантов, электронов, нейтронов и осколков распавшихся атомных ядер. Такое излучение способно отрывать электроны от атомов, сдвигать и разрушать их. В организме это приводит к образованию радикалов и активных форм кислорода, которые ускоряют старение и могут разрушать клеточные структуры. Излучение воздействует также на кристаллические соединения в составе электронной техники. В результате могут изменяться свойства всего вещества, что приводит к неточностям и неисправностям в функционировании электроники. Сейчас для работы в условиях ионизирующего излучения используются в основном приборы с неорганическими материалами. Продолжительность надежной службы таких устройств в условиях облучения ограничена. Разработка новых материалов, устойчивых к радиации, – одна из важнейших задач современной промышленности.

«Мы обнаружили, что металл-органические комплексы редкоземельных металлов, в частности лантаноидов, обладают высокой радиационной устойчивостью, – говорит руководитель проекта Михаил Бочкарев, профессор, заведующий лабораторией химии редкоземельных элементов Института металлоорганической химии имени Г. А. Разуваева. – Их можно использовать при конструировании приборов для работы в космических аппаратах или на атомных электростанциях. Также устройства на основе этих комплексов могут быть полезны на предприятиях по переработке и обогащению радиоактивных веществ и на территориях, подвергшихся их заражению».
Лантаноиды – вещества из группы редкоземельных металлов, занимающие порядковые номера от 57 до 71 в таблице Менделеева. Они названы по первому представителю под номером 57 – лантану – и имеют схожие химические свойства. Благодаря особенностям электронного строения атомов этих металлов их неорганические и органические соединения имеют ряд уникальных свойств. Они могут светиться при облучении ультрафиолетом, проявлять магнетизм или превращать световую энергию в электричество.

В этой работе исследователи облучали образцы органических комплексов лантаноидов потоками нейтронов и гамма-квантов, полученными от распада радиоактивного изотопа урана. Исследуемые вещества выдерживали несколько суток в условиях постоянной радиации, а также периодическое облучение с высокой энергией. Общая доза поглощенной радиации составила 1300 Грей, что почти в 1000 раз больше смертельной для человека. На каждом этапе работы ученые проверяли цвет и другие оптические свойства образца, форму, внешний вид и электрические параметры. Также авторы сравнили молекулярную структуру кристаллов комплексов до и после облучения. Образцы не изменились. Причем устойчивость к излучению, показанная в этом эксперименте, оказалась почти на 50% выше, чем для некоторых неорганических веществ, использующихся на практике. Например, доза в 900 Грей приводит к необратимому изменению электрических свойств кремния в составе солнечных батарей, но практически не влияет на комплексы лантаноидов.