Люминофоры: сахароза и органический краситель. Phosphors: sucrose and organic dye

Люминофоры: сахароза и эозин / Phosphors: sucrose and eosin

В физическом практикуме М. А. Грабовский, А. Б. Млодзеевский, Р. В. Телеснин, М. П. Шаскольская, И. А. Яковлев; Под ред. проф. В. И. Ивероновой - Лекционные демонстрации по физике. М., "Наука", 1972 г. 640 с.[ссылка] есть описание приготовления любопытных люминофоров: не на основе какого-то сульфида цинка или кальция, апатита или борной кислоты, а на основе... сахара. Вещество более чем доступное, а описанная в книге процедура простая (если не считать рекомендации строго контролировать температуру). На форуме такие люминофоры обсуждались давно, но с тех пор никто из участников так их и не приготовил. Пока есть время - решил попробовать. До этого я делал только люминофоры с борной кислотой, а мой товарищ - люминофоры на основе сульфида кальция.

Итак, процедура приготовления люминофоров из упомянутой книги.

"Красивую фосфоресценцию дают растворы флюоресцирующих красок, например родамина, эозина, эскулина и др. в аморфном сахаре, исследованные впервые С. И. Вавиловым и В. Л. Левшиным.

Сахарный песок растворяют в равном или несколько меньшем количестве воды и прибавляют к раствору краситель в количестве 2·10^-4 г на 1 г сахара. Воду постепенно выпаривают, доводя температуру смеси несильным равномерным нагреванием до 145°С. По достижении указанной температуры сахарный сироп выливают на металлическую плиту, где он быстро затвердевает в леденец. (При более высокой температуре нагрева сахар обычно разлагается и буреет. При температурах более низких вместо леденца получается тягучая масса, фосфоресцирующая очень слабо. Быстрое охлаждение благоприятствует возникновению фосфоресценции, поэтому сироп и выливают на массивную металлическую плиту.) Приготовленный таким образом сахар может существовать несколько дней; фосфоресценция исчезает при кристаллизации сахара, обычно наступающей по истечении указанного срока. Кристаллизация ускоряется, если при выливании в сироп попадают крупинки нерастворившегося песка или частицы пыли, которые могут стать центрами кристаллизации. Поэтому раствор сахара в воде рекомендуется предварительно профильтровать через вату. Кристаллизацию можно задержать, добавляя к раствору небольшое количество уксусной кислоты.

В качестве активаторов могут служить не только флюоресцирующие красители, но и некоторые другие, например аурамин, которые в жидких растворах не светятся. Концентрация красителя не должна быть большой, так как иначе наблюдается концентрационное гашение, уничтожающее люминесценцию."

Для начала приготовил раствор эозина: растворил 0.04 г красителя в 100 мл воды (0.0004 г в 1 мл). Взвешивал на весах с точностью до 0.01 г (т.е., ошибка взвешивания большая), но аналитических весов не было, а брать большую навеску и потом готовить серию разведений не хотелось. Потом помешал в выпарную чашку обычный пищевой сахар, который взвешивал на тех же весах.

Первоначально фарфоровую выпарную чашку покрыл алюминиевой фольгой (чтобы не отмывать ее от пригорелого сахара), но потом от фольги пришлось отказаться, т.к. плитка слабо грела.

Нагревание проводил на маленькой электрической плите, помешивая смесь термометром. Сначала, когда нужно было заснять процесс приготовления люминофора, поместил плитку на стул, что было неудобно. Позже, когда нужно было просто готовить, но не снимать, поместил плитку на пол, сам умостился рядом - так оказалось удобнее в условиях дефицита места.

Плитка грела слабо. Когда я брал 2 г сахара, все было нормально, но, когда я использовал 20 г сахара с соответствующей добавкой раствора эозина и воды, то упаривание раствора и нагревание смеси до заданной температуры (145°С) происходило очень медленно. Процедура занимала минут 40. Как вариант можно было использовать газовую плиту, по-видимому, в будущем так и поступлю. Для съемок процесса приготовления люминофора газовая плита слишком не эстетична - слой эмали поцарапан, но если нужно просто варить люминофор, а не снимать процесс - такой вариант подойдет.

Доведенный до нужной температуры расплав выливал в стальное блюдечко.

Для повторной переплавки люминофора использовал "коробочку" из алюминиевой фольги. Такая процедура требовалась, чтобы узнать, как повлияет более сильный нагрев на свечение люминофора (который уже был испытан в свете ультрафиолетовой лампы).

В районе указанной в книге температуры 145°С (или чуть выше) сахар приобретает коричневый оттенок. Приготовленные при более низкой температуре люминофоры имели розовый цвет.

Готовил образцы днем, потом пришлось ждать вечера, когда в комнате потемнеет. Какой результат? Светятся. Цвет и интенсивность свечения сахарных люминофоров с эозином меняются, как в анекдоте про метеорологов и точность их прогнозов:

У начальника гидрометеоцентра родился сын, местами - дочь.

Вот некоторые результаты.

Реактивы, посуда и материалы.
Раствор эозина: 0.04 г в 100 мл воды (0.0004 г в 1 мл). Пластиковая пипетка для дозировки раствора. Твердый сахар. Фарфоровая выпарная чашка, стальное блюдечко, для повторной переплавки - алюминиевая фольга.

Приготовленные люминофоры.
1) 2 г сахара, 1 мл эозина, 150°С, цвет - коричневый (слегка пригорел):

желто-оранжевое свечение, умеренно-яркое.

2) 5 г сахара, 0.5 мл эозина, 3 мл воды, 140°С, цвет - розовый:

белое свечение с желто-зеленоватым оттенком, тусклое;

после повторного нагрева до 150°С, и коричневого цвета:

белое свечение с голубоватым оттенком, яркое (самый яркий из приготовленных образцов).

3) 10 г сахара, 10 мл эозина, 145°С, цвет - розовый:

желто-оранжевое, умеренно-яркое свечение;

после переплавки до коричневого цвета:

белое свечение с желто-зеленоватым оттенком, тусклое (та часть, что вылил на блюдце)

и желтое свечение, умеренно-яркое (та часть, что осталась тонким слоем на фольге).

У всех образцов полностью отсутствует послесвечение (в отличие от люминофоров на основе борной кислоты). Яркость - меньше, чем у боратных люминофоров, но сопоставима.

Какие можно сделать выводы. Цвет и интенсивность свечения люминофоров зависят от их состава и условий приготовления. Это - совсем не новость, поскольку водный раствор эозина ведет себя аналогично: более разбавленные растворы светятся в ультрафиолетовых лучах ярко-зеленым, растворы с большей концентрацией - красно-оранжевым. Перегрев в процессе приготовления данных люминофоров вредит свечению, недостаточный нагрев - тоже. Уловить эту грань трудно (скучаю по плиткам с хорошей регулировкой, магнитной мешалкой и инфракрасным термометром в придачу), но компоненты недорогие и доступные: если хороший люминофор не получится - процедуру можно легко повторить. Предполагаю, что дело не только в разложении сахара, но и в возможных реакциях конденсации между молекулами эозина и сахара. Разумеется, для более строгих выводов нужно поставить гораздо большую серию экспериментов (меняя состав, температуру приготовления и скорость охлаждения образцов), но такой цели не ставилось.

Вот такие вышли светящиеся леденцы.