Na obzoru nová generace luminoforů

Světlo je stále jedním z nejúžasnějších přírodních jevů. Pro život lidí má zásadní význam. Ačkoliv nauka o světle, optika, patří k nejstarším přírodním vědám, stále si ponechává i pro viditelnou část elektromagnetického záření svá tajemství a pro vědce a techniky je trvalou výzvou i inspirací. V posledních letech prochází mimořádně prudkým vývojem oblast světelných technologií a osvětlovací techniky. Na scénu přicházejí nové aplikace, zlepšují se parametry klasických zdrojů a pod vlivem nařízení EU pro zlepšování kvality života se také mění situace na trhu. V souvislosti s nástupem kompaktních zářivek na místo klasických žárovek však také roste nespokojenost uživatelů nových světelných zdrojů a rostou požadavky na kvalitu plnospektrálního světla.

Od doby prvních zářivek z 30. let minulého století urazil pokrok v oblasti luminiscenčních látek dlouhou cestu. Velký vliv zde měl vývoj barevné televize a objevování vlastností chemických prvků z dříve neznámé skupiny lanthanidů. Dnes existuje asi deset základních typů práškových luminoforů, tj. látek schopných pohlcovat energii a následně ji vyzařovat ve formě světla, připravených vysokoteplotní syntézou (většinou jednoduchých sloučenin antimonu, barya, ceru, cínu, europia, gadolinia, germania, hliníku, hořčíku, stroncia, terbia, vápníku, yttria, chloru, fluoru či fosforu). Jejich smíšením ve vhodném poměru se lze přiblížit požadovanému spektru zářivkového zdroje a dosáhnout všeobecného indexu podání barev R_a až 90. S použitím speciálních luminoforů, jejichž složení výrobci pečlivě střeží, lze dosáhnout R_a až 98. (Index podání barev R_a je hodnocení věrnosti barevného vjemu, který vznikne osvětlením z nějakého zdroje, v porovnání s tím, jaký barevný vjem by vznikl ve světle slunce. Hodnota R_a může být od 0 do 100. Hodnota R_a=0 znamená, že při tomto osvětlení není možno rozeznat barvy. R_a=100 znamená, že je to světelný zdroj, který umožňuje přirozené podání barev.) V letošním roce se podařilo objevit novou formu luminoforu, která by mohla zlevnit a zefektivnit výrobu nové generace kompaktních zářivek a LED diod využitím vysoce luminiscenčních klastrů atomů stříbra na nosiči, který má porézní krystalickou zeolitickou strukturu.

Nová forma luminoforu

Klastry stříbra skládající se z několika málo atomů stříbra mají zajímavé optické vlastnosti. Současné možnosti jejich praktického využití omezuje tendence shlukovat se do větších částic, které požadované technické atributy ztrácejí.

Klastry stříbrných atomů se mohou sestavovat do různých tvarů včetně řetězců nebo pyramid. Právě tato podoba je vhodná k dosažení nejlepších fluorescenčních vlastností. Proto se v současné době studuje, zda by je bylo možné využít jako světelných konvertorů v energeticky úsporných žárovkách. Zeolity vytvářejí pyramidu se čtyřmi atomy stříbra v rozích s takovou velikostí, která vyzařuje největší množství fluorescentního světla s téměř 100% účinností.

Zeolity, přírodní či syntetické hlinito-křemičitany, se intenzívně studují po desítky let a průmyslově se využívají v řadě procesů. Mohou sloužit jako adsorbenty, katalyzátory nebo nosiče katalyticky aktivních látek. Vzájemně se liší velikostí a tvarem mikropórů a chemickým složením (množstvím hliníku v mřížce a charakterem kompenzujících kationtů).

V 60. letech minulého století se pro potřeby čs. elektrotechnického průmyslu (Tesla Rožnov, Tesla Praha-Holešovice) vyráběly luminofory vlastními technologickými postupy v kaznějovském závodě n. p. Spolana Neratovice (později Lachema Brno) na bázi vysoce čistých sulfidů kadmia a zinku. Používaly se k výrobě černobílých televizních obrazovek a zářivek. Luminofory tehdy patřily ke strategickým surovinám, na které se vztahovalo embargo ze strany západních „kapitalistických“ zemí.

Jak udržet stříbrné klastry „na distanc“

Tým vědeckých a technických pracovníků z Univerzity v Leuvenu, Univerzity ve Strasburgu a Center for Natural Resource Studies (CNRS, viz www.kuleuven.be), vedený belgickým vědcem a pedagogem prof. Dr. Johanem Hofkensem, objevil způsob, jak dodržet vzdálenost stříbrných klastrů zapouzdřením do porézní struktury zeolitů, které obsahují sodné nebo draselné ionty. Vědci při iontové výměně nahradili ionty alkalických kovů ionty stříbra a zkoumali strukturní, elektronické a optické vlastnosti vzniklých produktů. Výsledkem jsou stabilní stříbrné klastry, ovlivněné zejména způsobem tepelného zpracování.

Kde hledat informace

O dílčích výsledcích společného teoretického a experimentálního studia nových molekulárních systémů jako o možných světelných konvertorech pojednává řada prací této skupiny vědců z několika zemí otištěných v renomovaných časopisech a většinou dostupných na internetu (Journal of Materials Chemistry, Nature, Advanced Materials, Analytical Chemistry, Journal of American Chemical Society aj.). Skupinu materiálů, které lze využít jako světelné konvertory v energeticky úsporných zdrojích světla, studují již několik let vědecko-pedagogičtí pracovníci, budoucí magistři a doktorandi na katedře fyzikální a makromolekulární chemie Přírodovědecké fakulty UK v Praze pod vedením prof. RNDr. Petra Nachtigalla, Ph. D. v rámci výzkumného záměru „fyzikálně chemické a teoretické přístupy k řešení struktury a funkčních vlastností molekulových, supramolekulových a kompozitních systémů“. Z mnoha odborné veřejnosti dostupných děl je to např. práce Jana Hermanna, zabývající se teoretickým studiem klastrů stříbra v zeolitech aktivních v luminiscenčních procesech (Hermann, J.: Theoretical Investigation of silver clusters in zeolites. Bakalářská práce. PřF UK, katedra fyzikální a makromolekulární chemie. Praha 2011).