Светящиеся краски, дешевле и проще: найден способ обходиться без редкоземельных металлов

Новый способ синтеза веществ, применяемых в рентгеновской технике, светящихся красках и химических катализаторах, разработали специалисты Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ). Исследователи нашли путь к созданию люминофоров, который требует минимального оборудования и подходит для промышленного производства. Метод уже защищён патентом на территории России, сообщили в пресс-службе университета.

Почему люминофоры остаются дорогими

Люминофоры — вещества, способные накапливать энергию и отдавать её в виде света, — используются в медицине, промышленности, строительстве и даже в дизайне. Они обеспечивают яркость экранов, чувствительность датчиков и долговечность покрытий, светящихся в темноте. Но за их универсальность приходится платить: традиционные люминофоры требуют редкоземельных элементов, добыча которых сложна и затратна.

По словам директора Научно-исследовательского института строительных материалов ТГАСУ Андрея Мостовщикова, в составе современных люминесцентных веществ присутствуют атомы гадолиния (Gd), европия (Eu) и тербия (Tb). Эти элементы редки в земной коре и нуждаются в дорогостоящей переработке, что напрямую влияет на цену конечных изделий.

"Использование таких компонентов значительно повышает себестоимость рентгеновских аппаратов и люминесцентных красок для общественных пространств", — пояснил директор института Андрей Мостовщиков.

Именно стоимость и сложность производства стали одной из главных причин, побудивших исследователей искать альтернативу. В новых условиях, когда промышленность стремится к импортонезависимости, подобные разработки приобретают особую актуальность.

Простое оборудование и широкие возможности

Разработанный томскими специалистами метод позволяет получать компоненты люминесцентных красок из кислорода, молибдена (Mo) и ионов щелочноземельных металлов. Такой состав делает технологию доступной для лабораторий и производств без специализированного оборудования. Как сообщили в пресс-службе ТГАСУ, процесс можно масштабировать до промышленного уровня без значительных инвестиций.

Почему важно упрощение технологии? Уменьшение числа стадий синтеза снижает вероятность ошибок и потерь материала. Это также облегчает контроль над качеством и цветом конечного продукта. Для предприятий, работающих с люминофорами, это означает меньшее энергопотребление и более стабильные результаты.

Чтобы воспроизвести метод, достаточно базового лабораторного оборудования — печей, реакторов и измерительных систем, которые есть почти в каждой химической лаборатории. Такой подход открывает путь не только для крупных заводов, но и для малых исследовательских центров, способных создавать собственные материалы для рентгеновских установок и декоративных покрытий.

Где применяются новые соединения

Способность веществ светиться в ответ на внешнее воздействие называют люминесценцией. Она используется не только для эстетических целей, но и в областях, где требуется визуализация или контроль процессов. Например:

• в медицинской диагностике для подсветки тканей и структур на снимках;

• в химических и биологических исследованиях для отслеживания реакций;

• в промышленности — как индикатор температуры, износа или радиационного фона;

• в декоративных покрытиях — от архитектурных фасадов до маникюра и автомобильного тюнинга.

Люминесценция ценится за стабильность свечения, безопасность и долговечность. Новые материалы на основе молибдена могут заменить редкоземельные аналоги, сохранив яркость и устойчивость при меньшей себестоимости.

А можно ли добиться такой же эффективности без редких элементов? Да, утверждают томские исследователи: правильно подобранная комбинация ионов и температурный режим синтеза позволяют получить стабильное свечение при меньших затратах.

Как работает новый метод

В основе технологии лежит взаимодействие молибденовых соединений с ионами щелочноземельных металлов в контролируемой среде. Эти процессы формируют кристаллические структуры, способные накапливать и испускать световую энергию. В отличие от традиционных схем, где используются сложные реакторы и высокие температуры, новый метод допускает гибкость параметров.

Какие ошибки чаще всего совершают при создании люминофоров? Исследователи отмечают три типичные проблемы: неправильный подбор исходных солей, перегрев и отсутствие контроля над фазовым составом. Последствия — нестабильный цвет свечения и быстрая деградация материала. Альтернатива — постепенный нагрев и чёткое дозирование реагентов, что предусмотрено в методике ТГАСУ.

Для лабораторной работы достаточно соблюсти три шага:

1. Подготовить реакционную смесь из оксидов и солей молибдена и щелочноземельных металлов.

2. Провести термическую обработку при контролируемой температуре.

3. Охладить и промыть образец для удаления остаточных солей.

Полученный материал демонстрирует устойчивую фотолюминесценцию и может использоваться без дополнительной активации. Такой подход снижает издержки на 30-40% по сравнению с редкоземельными аналогами.

Возможные направления применения

Разработка ТГАСУ может найти применение в нескольких отраслях сразу. В медицинской технике — для создания более доступных рентгеновских источников и датчиков. В строительстве — для производства долговечных светящихся покрытий, которые повышают безопасность общественных пространств ночью. В промышленной химии — как катализатор, ускоряющий реакции без необходимости использовать дорогие добавки.

Что будет, если такие материалы станут массовыми? Расширится рынок отечественных люминофоров, снизится зависимость от импортных поставщиков и уменьшатся затраты в смежных отраслях. Это особенно важно для высокотехнологичных направлений, где стабильность поставок определяет конкурентоспособность.

Сравнивая новую технологию с зарубежными аналогами, можно отметить: она проще, требует меньше энергии и не зависит от экспорта редкоземельных концентратов. В долгосрочной перспективе такие разработки могут изменить баланс на рынке материалов для оптики и диагностики.

Распространённые представления и реальность

Существует мнение, что только редкоземельные металлы способны обеспечивать нужную яркость люминесценции. Опыт ТГАСУ опровергает этот подход: свечение зависит не только от состава, но и от структуры кристаллов, условий синтеза и чистоты реагентов. Ещё одно заблуждение — будто дешёвые аналоги всегда уступают по качеству. На практике новые молибденовые люминофоры демонстрируют стабильность, сравнимую с традиционными, и не теряют интенсивности при длительном использовании.

Если технология будет масштабирована, Россия сможет занять нишу в производстве доступных люминесцентных материалов. Это не только усилит научный потенциал страны, но и создаст новые возможности для промышленности — от приборостроения до декоративных покрытий.