Мрамор оказался ярче химреактива: в Томске сделали красный люминофор из камня

Химики из Томского политеха нашли способ сделать красные люминофоры дешевле, не теряя в яркости. Вместо химически чистого карбоната кальция они взяли природное сырье — в том числе мраморный песок — и получили материал, который светился даже сильнее лабораторного эталона. Статья вышла в Ceramics International, о работе сообщил Минобрнауки.

Люминофор синтезировали на основе алюмината кальция, легированного ионами марганца. Для сравнения взяли мраморный песок, мел, известняк и доломит, а потом сопоставили их с образцом из чистого CaCO₃. И вот тут мрамор оказался впереди: его свечение вышло самым интенсивным в серии.

Материал излучает красный свет с максимумом на 654 нанометрах. Такие люминофоры используют не только в декоративных покрытиях, но и в светодиодах теплого белого света, сигнальной маркировке, стойких красках. Обычно для этого берут составы с редкоземельными элементами вроде европия и диспрозия, а они заметно дороже и сильнее зависят от сырьевого рынка.

Секрет мрамора — в примесях магния. В лабораторном карбонате кальция их нет, а в мраморном песке есть около 1,5 процента MgO. Этого хватило, чтобы компенсировать зарядовые дефекты рядом с ионами Mn₄₊, которые и дают красное свечение. Без такой компенсации решетка начинает плодить дефекты, а они уже гасят люминесценцию без всякого света.

С доломитом история вышла показательная: магния в нем намного больше, около 42 процентов MgO, но светился он слабее мрамора. При обжиге часть магния ушла в побочную фазу MgAl₂O₄ и перестала работать на основную матрицу. Мел, наоборот, почти не содержит магния и оказался самым тусклым образцом, хотя по кальциевой части он близок к химически чистому реагенту.

Исследователи отдельно проверили влияние железа и увидели ровно то, что и ожидали: чем больше Fe₃₊, тем ниже яркость. Эти ионы перехватывают энергию возбуждения и не дают марганцу излучить фотон. Для промышленности вывод вполне прикладной: дешевое природное сырье для люминофоров подходит, но примесный состав придется контролировать почти так же внимательно, как температуру обжига.

С практической стороны работа выглядит полезной. Алюминатные люминофоры давно ценят за механическую стойкость и используют в разметке, аварийных табличках, строительных покрытиях. Если природный мраморный песок и правда заменит часть дорогих чистых реагентов, такие материалы смогут уйти из лаборатории в массовые краски и отделочные смеси.