Физики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) с коллегами из Института электрофизики УрО РАН и Института ионно-плазменных и лазерных технологий Академии наук Республики Узбекистан разработали технологию роста несферических наночастиц, которые синтезируются в процессе ионной имплантации. С помощью новой методики можно выращивать наночастицы разной формы и таким образом получать необходимые свойства, управлять ими. Технология применима для различных металлов — как благородных (золота, серебра, платины), так и «обычных», уверяют ученые. Описание технологии и результаты первых опытов — имплантации меди в керамику — представлены в Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Аппарат для имплантации ионов металла
«Изменив форму наночастиц со сферических на несферические, мы смогли увеличить диапазон оптического поглощения. Это, в свою очередь, является базой для того, чтобы в дальнейшем поглощенную энергию конвертировать в электричество, тепло. По итогу можно получить более функциональные датчики, увеличить диапазон их чувствительности, — поясняет соавтор исследования, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Арсений Киряков. — Если такие наночастицы встраивать в лазеры, то будет увеличиваться их мощность. Если говорить про сенсоры, то будет увеличиваться их чувствительность. Что касается датчиков, то изменяется время их отклика. Это все обусловлено особенностью плазмонного резонанса, которая приводит к тому, что вокруг наночастиц возникает усиленное электрическое поле».
Наночастицы металлов используют для решения самых разных задач: от биологических (сенсоры по определению состава белков, анализу ДНК и пр.) до физических (создание усиленных лазеров, фотолюминесцентных датчиков и пр.). Так, при контакте с биообъектами — ДНК, вирусы, антитела — плазмонные наноструктуры позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, т.е. значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики. И изменение формы наночастиц позволит управлять этими свойствами, улучшать их.
Первые опыты с частицами меди позволили ученым создать метаматериал, аналогов которому нет.
«Новый материал состоит из несферических плазмонных наночастиц в матрице оптически прозрачной радиационно стойкой керамики, — рассказывает руководитель работы, профессор кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Анатолий Зацепин. — За счет управляемой морфологии плазмонных наночастиц новый материал обеспечивает улучшенные спектральные характеристики и эффективность преобразования энергии поглощаемых фотонов. Мы обнаружили, что уникальные физические свойства полученного материала проявляются при возникновении особого явления — эффекта поверхностного плазмонного резонанса. Материалы, в которых имеет место такой эффект, могут быть использованы для лазеров нового поколения, высокоточных аналитических приборов, навигационных систем космических аппаратов, квантовых компьютеров и т.д., то есть там, где необходимо использовать поглощение и преобразование энергии света».
Сверхпрочная керамика
Кроме того, ученые из Узбекистана, входящие в исследовательскую группу, предложили универсальную матмодель, описывающую этот процесс. По словам физиков, модель важна для того, чтобы описывать и понимать, что происходит с наночастицами в разных материалах, и это первая модель, которая описывает рост несферических наночастиц. Предыдущие модели не учитывают необычную форму частиц.
В планах физиков — расширить представления о природе и закономерностях физических явлений, протекающих в материале при внешних энергетических воздействиях, что, в свою очередь, даст информацию о новых возможностях функционального применения материалов подобного типа.
Отметим, исследования нового материала выполняются по программе «Приоритет-2030» в научной лаборатории УрФУ «Гибридные технологии и метаматериалы — MetaLab». Работа проводится в рамках проекта «Разработка корпускулярно-фотонных технологий получения и модификации метаматериалов для плазмоники, спинтроники и нанофотоники».
Справка
Метаматериал — искусственно созданный материал, который не имеет аналогов в природе. Его свойства обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. В качестве структурных элементов выступают не атомы и кристаллические решетки, а специальные искусственные элементы, из которых собирают новую структуру — в результате возникает новый материал с иными функциональными свойствами (оптическими, магнитными, электронными).
Фото: Владимир Петров / УрФУ
Информация и фото предоставлены пресс-службой Уральского федерального университета
