Российские ученые получили люминесцентную бактерицидную керамику
Ученые Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. В. В. Тананаева и Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного технологического института синтезировали светящуюся керамику с бактерицидными свойствами. Она предназначена для использования в оптике, приборостроении, медицине и водоочистке.
Люминесцентные материалы на основе сложных оксидов находят широкое применение — от систем освещения и оптоэлектроники до таких новых направлений в медицине как биоимиджинг и фотодинамическая терапия. Такие материалы поглощают высокоэнергетическое излучение и излучают видимый человеческому глазу свет, что позволяет их использовать, например, в рентгеновской томографии. В световой промышленности и лазерных технологиях их применяют для преобразования энергии ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов. Возможно применение их и в бесконтактной термометрии.
Объектом изучения авторов стали синтезированные керамические твердые растворы на основе ниобатов-танталатов эрбия с общей формулой ErNbₓTa₁₋ₓO₄. Для получения образцов исследователи использовали жидкофазный метод синтеза: выращивали материал из растворов, осаждая гидроксиды, которые затем подвергались высокотемпературному спеканию в печи при 1400 °C. Такой подход позволил получить тонкодисперсные порошки и высококачественную керамику с контролируемой структурой.
Одно из главных свойств нового материала — люминесценция с эффектом ап-конверсии. Обычно люминофоры излучают свет с меньшей энергией, чем поглощают. Эти же материалы работают наоборот — они поглощают невидимое человеческому глазу инфракрасное излучение и преобразуют его в видимый свет зеленой или красной области спектра.
Впервые ученые установили, что равное соотношение ниобия и тантала создает особый синергетический эффект. В образце такого материала интенсивность свечения в видимой области превысила таковую у чистого ниобата или чистого танталата эрбия. Это открывает путь к созданию сверхчувствительных оптических температурных сенсоров.
Чистый ниобат эрбия, а также образец с небольшим добавлением тантала продемонстрировали наилучшие показатели прочности, превзойдя некоторые марки стали. По мнению ученых, из такой керамики можно изготавливать датчики и счетчики, которые будут работать в условиях высоких механических нагрузок.
Исследователи также выявили бактерицидные свойства порошка ErNbO4. Его действие проверили на трех видах микроорганизмов: грамположительных бактериях Micrococcus sp., грамотрицательных бактериях Escherichia coli и спорообразующих бактериях Bacillus subtilis. По отношениям к бактериям материал проявил фотоиндуцированную токсичность. Это значит, что под действием обычного дневного света керамика активно убивает бактерии. В темноте эффект был слабее: количество бактерий снижалось лишь наполовину, тогда как на свету их популяция сокращалась почти на 90 %.
Ученые полагают, что эрбиевые ниобаты-танталаты могут иметь несколько сфер применения: в производстве лазеров, светодиодов и оптических усилителей для систем связи, в медицине в качестве контрастных агентов для биоимиджинга (визуализации процессов внутри организма) и фотодинамической терапии инфекций. Материалы подходят и для покрытий фильтров очистки воды, которые могут стерилизовать среду под действием света, а также для бесконтактных термометров, работающих в агрессивных средах, где обычная электроника выйдет из строя.