Российские ученые совместно с зарубежными коллегами синтезировали наноматериал на основе кремния и золота, который поглощает свет с эффективностью 96%, после чего преобразует его в тепло — благодаря этому свойству его можно использовать в качестве нанотермометра. Более того, полученные авторами пленки в виде россыпи наночастиц имеют уникальный «узор» на поверхности, который позволит довольно простым и легко масштабируемым способом создавать защитные оптические метки для борьбы с контрафактной продукцией. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Владислав Пузиков (один из авторов работы) исследует фототермальные свойства порошка, полученного из наночастиц кремний-золото. Источник: пресс-служба ИАПУ ДВО РАН
Эффекты рассеяния, поглощения и отражения света наночастицами в различных материалах, таких как кремний и керамика, используются в высокоточных датчиках и сенсорах, а также устройствах хранения информации. В последние годы особый интерес вызывают гибридные материалы, которые сочетают в себе наночастицы металла и неметалла, например золота и кремния, поскольку при их взаимодействии возникают особые оптические эффекты, которых не имеет каждый компонент в отдельности. Среди них, например, способность эффективно преобразовывать свет в тепло.
Существующие технологии, позволяющие на наномасштабном уровне соединить кремний и золото, довольно трудоемкие и дорогие, поскольку включают множество последовательных этапов. Более того, они позволяют получать нужный гибридный материал лишь в микроколичествах. В связи с этим ученые стремятся найти простой и легко масштабируемый метод синтеза гибридных наноматериалов.
Исследователи из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН и Института химии Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) совместно с коллегами из Испании и Японии синтезировали наноматериал на основе кремния и золота с помощью метода лазерной абляции, разработанного и протестированного ранее этой научной группой. Сначала авторы получили кремниевые микросферы, освещая лазером пластины этого кристалла, помещенные в органический растворитель. Затем к полученному раствору добавили ионы золота и провели повторное облучение лазерными импульсами. В результате поверхность кремниевых микросфер «обросла» золотыми нанокластерами, которые постепенно внедрились и в глубь частиц.
Эксперименты показали, что полученные гибридные частицы поглощают до 96% солнечного излучения, преобразуя его в тепло. При этом образцы материала при освещении лазером нагревались до 300°C. Это свойство позволит использовать их в солнечных опреснителях, поскольку наноматериал при освещении будет эффективно нагревать морскую воду, которая, испаряясь, станет конденсироваться в виде капель чистой питьевой воды. Кроме того, ученые выяснили, что, когда на поверхность кремниево-золотых наносфер оседают какие-либо молекулы, присутствующие в растворе, их оптические свойства сильно изменяются. Это позволяет использовать отдельные гибридные частицы в качестве детекторов различных химических веществ, например опасных газов и лекарственных препаратов.
Затем ученые получили несколько образцов материала в виде пленок, нанеся раствор из гибридных частиц на гладкое стекло. В результате каждая пленка имела уникальную структуру поверхности, поскольку наносферы всегда оседали на подложку произвольно и неконтролируемо. Случайная агломерация частиц позволила создать неповторимые картины оптических сигналов, которые можно записать и использовать в дальнейшем в качестве защитных меток.
«Кодирующая способность таких оптических меток составляет 10 в степени 3000, то есть именно такое количество попыток потребуется злоумышленнику, чтобы случайным образом повторить какую-либо метку. Это и делает ее физически некопируемой», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Станислав Гурбатов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН.
«Простота предложенной технологии синтеза, а также ее высокая производительность, достигающая нескольких грамм в час, делают ее коммерчески привлекательной для наносенсорики, преобразования солнечной энергии и антиконтрафактной маркировки. В дальнейшем мы планируем более подробно исследовать оптические свойства получаемых наночастиц в зависимости от исходных концентраций компонентов и типа растворителя», — рассказывает соавтор исследования, Владислав Пузиков, аспирант и инженер ИАПУ ДВО РАН.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
