Померить очень высокую температуру

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали исключительно чувствительные бесконтактные нанотермометры для экстремальных условий
Померить очень высокую температуру
Микрофотография наночастиц Gd2O3, активированных ионами тербия и европия, и их спектры люминесценции при различных температурах
Илья Колесников

Ученые предложили новые люминесцентные нанотермометры на основе редкоземельных ионов тербия и европия. По изменению интенсивности их свечения можно бесконтактно определять температуру от −150 до +200 °С. Предложенный принцип, основанный на явлении переноса энергии между двумя оптически активными центрами, позволяет улучшить тепловую чувствительность сенсора и проводить измерения с точностью до десятых долей градуса.

magnifier.png Контактные термометры применимы не всегда: они не могут использоваться для микро- и нанообъектов, а также не работают в условиях высокого давления или агрессивной окружающей среды. Поэтому ученые разработали альтернативу традиционным датчикам — бесконтактные оптические термометры

В самых разнообразных отраслях производства — от металлургии и химической промышленности до медицины и молекулярной биологии — температура выступает одним из важнейших параметров, который влияет на свойства материалов и протекание многих процессов. Наиболее часто для точного измерения температуры используют контактные термометры, которые необходимо непосредственно подносить к анализируемой поверхности или опускать в интересующую среду. Например, к устройствам такого типа относятся ртутные термометры, которыми измеряют температуру человеческого тела.

Но контактные термометры применимы не всегда: они не могут использоваться для микро- и нанообъектов, а также не работают в условиях высокого давления или агрессивной окружающей среды. Поэтому ученые разработали альтернативу традиционным датчикам — бесконтактные оптические термометры. Такие устройства состоят из материалов, способных светиться при поглощении излучения с определенными длинами волн. Принцип их работы заключается в том, что спектр люминесценции меняется даже при незначительном нагревании и охлаждении, благодаря чему температуру можно измерить довольно точно.


СХЕМА1.jpg
Схема, иллюстрирующую эволюцию материала в процессе золь-гель синтеза
Из книги С. К. Евстропьева и Н. В. Никонорова «Жидкостные методы получения оптических наноматериалов»

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали люминесцентные термометры на основе оксидных наночастиц, активированных редкоземельными ионами тербия и европия. Первый из них испускает ярко-зеленое излучение, второй — красное. Кроме того, ионы тербия способны передавать энергию ионам европия, увеличивая интенсивность их люминесценции. Это свойство позволило ученым использовать такую пару для люминесцентной термометрии, поскольку интенсивность люминесценции ионов тербия (зеленое свечение) и европия (красное свечение) изменяется даже при небольшом изменении температуры.

magnifier.png «Синтезированные нами нанотермометры можно использовать в широком диапазоне температур, что существенно расширяет область их применения. При этом их тепловая чувствительность при температуре более 150 градусов выше максимально достижимой чувствительности любых больцмановских люминесцентных термометров»

Синтез люминесцентных частиц проводился с помощью разновидности золь-гель метода, разработанной членами научного коллектива проекта. Размер полученных частиц составил менее ста нанометров, что позволяет определять температуру с субмикронным пространственным разрешением. Исследователи измерили спектры люминесценции полученных наночастиц, а затем изучили, как они изменяются при повышении и понижении температуры. Оказалось, что интенсивность люминесценции ионов тербия при нагревании уменьшается из-за усиления процесса передачи энергии ионам европия и температурного тушения. Интенсивность люминесценции ионов европия при увеличении температуры изменялась немонотонно: она возрастала при температурах ниже 370 °С, а затем снижалась. Такое поведение связано с одновременным влиянием двух разнонаправленных факторов: переноса энергии с ионов тербия и температурного тушения.

Поскольку каждый из активных центров продемонстрировал собственную динамику изменения люминесценции, ученые математически описали ее зависимость от температуры для ионов тербия и европия и тем самым сделали возможным бесконтактно оценивать температуру в диапазоне от −150 до +200 °С с точностью до десятых долей градуса.


КОЛЕСНИКОВ.jpg
Руководитель проекта Илья Колесников, кандидат физико-математических наук, специалист ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» СПбГУ
laser.spbu.ru

«Синтезированные нами нанотермометры можно использовать в широком диапазоне температур, что существенно расширяет область их применения. При этом их тепловая чувствительность при температуре более 150 градусов выше максимально достижимой чувствительности любых больцмановских люминесцентных термометров, благодаря чему можно существенно повысить точность определения температуры. В дальнейшем мы будем работать над последующим увеличением чувствительности, повысив эффективность переноса энергии между активными центрами», — рассказывает руководитель проекта Илья Колесников, кандидат физико-математических наук, специалист ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества» СПбГУ.

Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ) и опубликованного на страницах Journal of Alloys and Compounds, будут полезны для контроля температуры устройств, функционирующих в экстремальных условиях.

По материалам пресс-службы РНФ

Что такое золь-гель метод

Золь-гель метод является очень распространенным жидкостным методом синтеза различных наноматериалов. Первые документированные попытки преднамеренного получения гелей поликремниевой кислоты относятся к 1640 году, когда бельгийско-голландский химик Ян Баптист ван Гельмонт, сплавляя кремнезем с избытком соды, приготовил растворимую в воде массу. При действии кислоты на такой раствор выделялся белый аморфный осадок. В 1648 году Иоганн Глаубер получил гель поликремниевой кислоты при действии на раствор жидкого стекла солей различных металлов. Тогда он тщетно пытался найти применение этому процессу, что было обусловлено низким уровнем развития промышленности. Наиболее широкое практическое применение золь-гель процесс получил в середине прошлого века как эффективный метод для промышленного производства различных оптических покрытий. Основу золь-гель метода получения материалов составляют физико-химические процессы образования гелей из растворов исходных компонентов.

Из книги С. К. Евстропьева и Н. В. Никонорова «Жидкостные методы получения оптических наноматериалов»




Еще по теме:
08.08.2022
В ходе масштабного исследования популяционного иммунитета к COVID-19 ученые установили, что подавляющее большинство дете...
03.08.2022
Сотрудники физического факультета МГУ и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН предложили оригинальный дизайн...
27.07.2022
На прошедших выходных Китайское агентство по пилотируемой космонавтике (China Manned Space Agency, CMSA) осущест...
26.07.2022
Ледовые опытовые бассейны Арктического и антарктического НИИ Росгидромета закрываются на реконструкцию, результатов кото...
Наверх