Функциональные лазерные материалы нового поколения

Актуальность

Наука не стоит на месте, перед людьми открываются новые горизонты, дух новаторства движет временем. Настало время, когда нет чёткого разделения наук. Таким образом, в настоящее время без химии и физики нельзя представить медицину. Проект направлен на изучение феномена использования лазеров в медицине, ознакомление и получение новых более эффективных и доступных лазерных материалов.

Цель работы: синтез и определение наиболее эффективных и совершенных материалов на основе фосфатов, содержащих катионы эрбия для применения в лазерных медицинских технологиях.

Для осуществления поставленной цели было необходимо решить следующие задачи

• Получить навыки работы в химической лаборатории.
• Ознакомиться с лазерными свойствами неорганических веществ.
• Провести синтез веществ по соответствующим химическим реакциям.
• Провести анализ полученных веществ.
• Характеризовать комплексом физических методов.
• Сравнить и выявить наиболее эффективные материалы.

Содержание работы

Первоначально было необходимо рассчитать массы и пропорции необходимых веществ для получения продуктов Ca₉Er(PO₄)₇, Ca₈MgEr(PO₄)₇ и Ca₈ZnEr(PO₄)₇, Ca₈CdEr(PO₄)₇ по уравнениям реакций:

4CaCO₃ + Er₂O₃ + 14CaHPO₄·2H₂O = 2Ca₉Er(PO₄)₇ + 4CO₂ + 35H₂O

3CaCO₃ + Er₂O₃ + 14CaHPO₄·2H₂O + 2MO = 2Ca₈MEr(PO₄)₇ + 3CO₂ + 35H₂O, где М = Zn, Mg, Cd.

Всего в работе было получено 4 новых лазерных материала: Cа₉Er(PO₄)₇; Ca₈MgEr(PO₄)₇, Ca₈ZnEr(PO₄)₇, Ca₈CdEr(PO₄)_7, каждое из которых представляло собой светло-розовый кристаллический порошок. Проводилась гомогенизация веществ для лучшего взаимодействия. Далее производился последовательный отжиг в муфельной печи при 500 °С (48 ч), 700 °С (12 ч), 1000 °С (30 ч).

Далее необходимо охарактеризовать каждый из материалов по физическим свойствам. Состав полученных веществ был подтверждён методом рентгенофазового анализа (РФА). Положения пиков соответствуют фосфату кальция, примесных пиков не обнаружено, что говорит о полном прохождении реакции.

Для получения результирующего зелёного излучения было необходимо изучить нелинейно оптические свойства синтезированных веществ. Таким образом, образцы были исследованы методом генерации второй оптической гармоники (ГВГ), то есть методом, позволяющим количественно определить эффективность преобразования лазерного излучения. Сравнение проводилось относительно кварцевого эталона. Было выявлено, что образцы преобразуют длину волны падающего излучения, при этом увеличивая мощность сигнала.

С помощью проведённых исследований удалось сравнить и выявить наиболее эффективный лазерный материал на основе эрбия, им оказался фосфат Ca₈ZnEr(PO₄)₇.

Оснащение и оборудование, использованные при создании работы

Рентгеновский дифрактометр, спектрометр, печь, лазеры, работающие на 2-й оптической гармонике.

Выводы

• Получены новые кристаллические порошки, обладающие лазерными свойствами: Ca₉Er(PO₄)₇; Ca₈MgEr(PO₄)₇ и Ca₈ZnEr(PO₄)_7, Ca₈CdEr(PO₄)_7.
• Подтверждено строение с помощью рентгенофазового анализа.
• Исследованы физические свойства комплексом современных методов.
• Выявлен наиболее эффективный материал: Ca₈ZnEr(PO₄)_7.

Перспективы использования результатов работы

Совокупность методов исследования и сочетание оптических и нелинейно-оптических свойств обусловливает перспективность использования синтезированных веществ в качестве нового поколения мультифункциональных и лазерных материалов для неинвазивных лазерных скальпелей. 

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Награды/достижения

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» – призёр.

Круглый стол «Биотехнология и образование. Академический класс» в рамках Международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития. Науки о жизни» – призёр.

Всероссийский научно-практический конкурс-конференция одарённых школьников «Intel-Авангард 2019» – призёр