Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект посвящен разработке и исследованию люминесцентных стеклокерамик, которые можно использовать в облучателях для растений. Дело в том, что растениям для полноценного роста и развития необходимы УФ и ближняя ИК области спектра. Большинство промышленных красных светодиодов дает в основном видимое излучение, не доходя до инфракрасного. Устойчивый оптический материал с люминесценцией как в красной, так и в инфракрасной области спектра поможет заменить их и ускорить развитие роста растений, находящихся в условиях искусственного освещения, например, в теплицах. Такой спектр свечения могут давать переходные элементы в стеклокристаллических матрицах. Каждый из трех лет проекта посвящен одному переходному элементу и его люминесцентным свойствам при введении в стеклянную или стеклокристаллическую среду. Первый год проекта посвящен разработке стеклокерамик, легированных хромом. Выбор стеклокерамических материалов обусловлен следующими факторами: стеклокерамические материалы более прочные и химически стойкие, чем стекла. Если сопоставлять стеклокерамику кристаллам, то процесс производства кристаллов достаточно сложен, дорог, трудозатратен и длителен. Если рассматривать порошковые керамики, то в них, как и в кристаллах переходные элементы могут занимать только строго определенные положения в кристаллической решетке. Для большинства кристаллических соединений положения, куда встраиваются ионы-допанты, известны, так же, как и люминесцентные свойства материалов с ними. Стеклокерамика является переходным звеном между кристаллическим и стеклообразным, и сочетает в себе низкую стоимость производства, и некоторую неопределенность при допировании люминесцентными добавками. Эта неопределенность на самом деле не недостаток, а преимущество: умея управлять окружением ионов переходных металлов, можно гибко изменять люминесцентные свойства материала в целом. За первый год реализации проекта было разработано и синтезировано порядка 100 составов стекол и стеклокерамик на их основе. Существовало два критерия качества к стеклообразной матрице: во-первых, она должна быть оптически прозрачной в видимом диапазоне, во-вторых, она должна быть склонна к кристаллизации. Из всех разработанных составов наиболее подходящей является щелочноалюмоборатная матрица, в которой одновременно в одинаковых количествах введены две щелочи: калий и литий. Калий играет роль иона-стеклообразователя, а литий повышает склонность матрицы к кристаллизации. Важным аспектом оказалось большое количество алюминия в составе стекла. Ионы хрома очень близки по радиусу к ионам алюминия и легко встраиваются в структуру в те же вакантные места. В ходе проекта выяснилось, что хром при синтезе в атмосфере воздуха становится исключительно шестивалентным. Такой вид хрома не обладает люминесцентными свойствами. Подбор восстановителей показал, что в трёхвалентное состояние, минуя четырёхвалентное, хром переводит сурьма. Так реализовалось отдельное исследование влияния окислительно-восстановительных условий в расплаве стекла на люминесцентные свойства ионов хрома. Нами было установлено, что чем больше в составе стекла сурьмы, тем больше хрома переходило в трехвалентное состояние, тем наиболее эффективная люминесценция проявлялась в стеклокерамике. Несколько существенных особенностей обнаружилось в процессе технологии синтеза стеклокерамики. Дело в том, что область экзотермических реакций в этих составах лежала при больших температурах, которые близки к размягчению, что может привести к разрушению матрицы. Необходимо было предусмотреть оптимальные условия между тем, чтобы сформировать как можно больше кристаллов в стекле, и обеспечить отсутствие процессов плавления. Таким образом эмпирическим путем были получены оптимальные технологические режимы синтеза стеклокерамики. Квантовый выход люминесценции у первых “удачных” составов составлял порядка 14%. Комплекс фундаментальных исследований проводился в проекте по модификации составов стеклокерамики, регулировании технологии синтеза, исследовании времени жизни затухания люминесценции, определении квантового выхода, измерении спектров поглощения стеклокерамик, созданию дефектов электронным пучком, оценка спектров катодолюминесценции. Последнее исследование оказалось богато на фундаментальные результаты, в связи с отсутствием релевантной информации в научных базах цитирования при облучении синтезированных образцов электронным пучком. Итоговым результатом исследований можно считать максимальное значение квантового выхода люминесценции, который нами был получен составил 50%. По сравнению с лазерными кристаллами, у которых квантовый выход порядка 98%, это немного, но по сравнению с люминесцентным стеклом – достаточно хорошо. Нами выполнены все виды работ, которые были запланированы на первый год реализации проекта, и получили те результаты, на которые рассчитывали. Мы планируем продолжить исследования, обозначенные в проекте в следующие годы, чтобы добиться более интересных научных результатов и приблизиться к их практическому внедрению и возможной коммерциализации.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект посвящен разработке и исследованию люминесцентных стеклокерамик, которые можно использовать в облучателях для растений. Растениям для полноценного роста и развития необходимы УФ и ближняя ИК области спектра. Большинство промышленных красных светодиодов продуцирует в основном видимое излучение, не доходя до инфракрасного. Устойчивый оптический материал с люминесценцией как в красной, так и в инфракрасной области поможет заменить их и ускорить развитие растений, находящихся в условиях искусственного освещения, например, в теплицах. Такой спектр свечения могут давать переходные элементы в стеклокристаллических матрицах. За второй год реализации проекта было разработано и синтезировано порядка 70 составов стекол и стеклокерамик на их основе. Существовало два критерия качества к стеклообразной матрице: во-первых, она должна быть оптически прозрачной в видимом диапазоне, во-вторых, она должна быть склонна к кристаллизации. Из всех возможных валентных состояний марганца нам наиболее интересно состояние 4+, которое дает интенсивную красную люминесценцию. Однако двухвалентный марганец тоже удовлетворяет требованиям к созданию источников излучения, и при этом является наиболее стабильной модификацией этого иона. Четырехвалентный марганец является промежуточным состоянием, в связи с чем в рамках реализации проекта было необходимо определить условия, при которых ионы марганца переходят именно в состояние 4+. Из всех разработанных составов обоим критериям по выбору матрицы удовлетворили только две: щелочно-боратная и щелочно-германатная. Однако в щелочно-боратном стекле ионы марганца остались в двухвалентном состоянии даже после кристаллизации матрицы, при этом интенсивность их люминесценции во всех разработанных составах была минимальной. Поэтому было решено изменить критерии к выбору матрицы на: (1) прозрачность в широком спектральном диапазоне и (2) интенсивная люминесценция марганца. На основании этих критериев была выбрана боратная матрица со щелочноземельными элементами. В ней удалось достичь квантового выхода люминесценции двухвалентного марганца равным 22%. Единственной матрицей, в которой получилось создать ионы марганца в четырёхвалентном состоянии – это щелочно-германатная. В процессе кристаллизации стекла выделяются кристаллы вида R2O-7GeO2 (где R=Li, K, Na), в которых германий имеет степень окисления 4+. При этом радиус германия совпадает с ионным радиусом Mn 4+, что создает благоприятные условия для вхождения марганца в кристаллическую фазу замещением германия. Щелочно-германатные стеклокерамики показали люминесценцию в красной области (660-680 нм), что и было целью разработки на втором этапе проекта. Мы выполнили все виды работ, которые были запланированы на второй год реализации проекта, и получили те результаты, на которые рассчитывали. Мы продолжим эти исследования вне рамок проекта в будущем, чтобы улучшить люминесцентные характеристики полученных стеклокерамик с четырёхвалентным марганцем и приблизиться к их внедрению. Результаты реализации проекты были освещены СМИ в нескольких статьях, которые можно найти на портале Naked Science (https://naked-science.ru/article/column/v-itmo-predlozhili-novyj-sposob-uskorit-rost-rastenij), Новости сибирской науки (http://www.sib-science.info/ru/heis/steklokeramika-pomozhet-19062020) и новостном портале Университета ИТМО (https://news.itmo.ru/ru/science/new_materials/news/9523/).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект посвящен разработке и исследованию люминесцентных стеклокерамик, которые можно использовать в облучателях для растений. Растениям для полноценного роста и развития необходимы УФ и ближняя ИК области спектра. Большинство промышленных красных светодиодов излучает в основном видимое излучение, не доходя до инфракрасного. Устойчивый оптический материал с люминесценцией как в красной, так и в инфракрасной области поможет заменить их и ускорить развитие растений, находящихся в условиях искусственного освещения, например, в теплицах. Такой спектр свечения могут давать переходные элементы в стеклокристаллических матрицах. За третий год реализации проекта было разработано и синтезировано порядка 115 составов стекол и стеклокерамик на их основе. Работа была разделена на два направления: получение красной люминесценции ионов титана при введении их в матрицу стекла как люминесцентной добавки и разработка стеклокерамик, активированных нанокристаллами перовскитов с люминесценцией в красной области, при использовании ионов титана как кристаллизатора. Из разработанных составов первой группы имели визуально красную люминесценцию стекла свинцово-боратной матрицы с титаном. Однако интенсивность люминесценции этих стёкол оставляла желать лучшего и подходила для дальнейшей разработки облучателя для растений. Из составов второй группы успешно была получена борогерманатная стеклокерамика с нанкористаллами перовскитов CsPbI3 с люминесценцией в области 650-740 нм и максимальным квантовым выходом 37% и стеклокерамика со смешанными нанокристаллами перовскитов CsPb(BrxI1-x)3 с люминесценцией в области 517-695 нм и максимальным квантовым выходом 36%. Расположение максима люминесценции в обоих случаях будет определяться составом кристалла (чистый или смешанный), а также режимом изотермической обработки. Преимущество стеклокерамик с нанокристаллами перовскитов заключается в стабильности люминесцентных характеристик данных материалов в диапазоне вплоть до 200 градусов цельсия. Исследования механических и эксплуатационных свойств разработанных стеклокерамик показали, что они могут быть использованы в помещениях с повышенной влажностью и температурой. Однако на их использование накладываются некоторые ограничения, такие как использование химически стойких защитных покрытий, как неорганических, так и полимерных. В рамках работы также были разработана модель светодиодного стеклокерамического облучателя с модифицированным спектральным составом излучения за счет использования разработанных ранее боратных стеклокерамик с хромом. Процесс моделирования включал в себя два основных этапа: первый этап - оптико–светотехнический расчёт ССО. На этом этапе был выбран тип светодиода, было определено оптимальное значение толщины образцов стеклокерамики, у которых наблюдается максимальное значение эффективности преобразования падающего излучения, был осуществлен подбор элементов вторичной оптики, которые могут быть адаптированы под задачу облучения, была проведена оценка светотехнических характеристик. Второй этап проектирования заключался в исследовании и моделировании корпуса облучателя на основе полученной стеклокерамики как преобразователя излучения. На этом этапе был проведен тепловой расчет, осуществлены необходимые оценки по отводу тепла разработанного корпуса, обусловленное светодиодными источниками излучения. Мы выполнили все виды работ, которые были запланированы на весь период реализации проекта, и получили результаты, которые изначально предполагали. Логичным продолжением исследований, проводимых в рамках проекта, является доработка составов уже разработанных стеклокерамик для получения оптимального соотношения между пропусканием и люминесцентной эффективностью материалов для дальнейшего их использования, разработка макетов облучателей для растений на основе промышленно доступных светодиодных чипов, подбор оптимальных излучательных и электрических характеристик чипов, разработка и реализация конструкции облучателя с модифицированным спектральным составом излучения, а также натурные эксперименты с растениями в теплицах и оценка эффективности использования разработанных облучателей на рост и развитие растений.