Сотрудники физического факультета ИТМО разработали динамическую наноструктуру, в которой можно менять оптические свойства с помощью внешних воздействий. Основа материала — полимер, который может сжиматься и разжиматься в зависимости от температуры. Ученые ИТМО доказали, что наноструктуры с наночастицами кремния усиливают свет в семь раз, а в сочетании с золотом этот результат улучшается до 35 раз. Причем заставить полимер изменить форму можно неограниченное количество раз. Потенциально такие материалы можно использовать для разработки интеллектуальных автоматических термочувствительных детекторов и в других роботизированных устройствах.
Визуализация финального шага исследования с использованием наноструктур с наночастицами кремния (слева) и кремния и золота (справа). Изображение предоставлено авторами исследования
Наноструктуры в динамике
Оптические системы, свойства которых изменяются под влиянием внешних факторов, могут использоваться в разных сферах — от систем обработки изображений до интеллектуальных регулируемых датчиков. Наибольший интерес сейчас представляют микро- и наноразмерные системы. Возможность изменять наноструктуру систем позволит ученым влиять на их оптические свойства.
«Сейчас, если мы создаем какие-либо наноструктуры, чаще всего они никак не изменяются. Например, если мы сделаем массив из наноцилиндров, в дальнейшем мы никак не сможем его переделать, он останется зафиксированным. А мы захотели создать динамическую наноструктуру, которая в зависимости от разных внешних воздействий может менять свой отклик и иметь несколько состояний. Таким образом мы можем менять свойства нашей системы в любой момент времени», — объяснила первый автор статьи и аспирантка третьего года обучения физического факультета Елена Герасимова.
Елена Герасимова. Фото: Лилия Кичигина / Новый физтех ИТМО
К тому же синтез разработанных наноструктур простой, быстрый и не требует дорогого оборудования для дополнительного воздействия, например, с помощью литографии. Чтобы создать такие материалы, исследователи физического факультета ИТМО используют химические методы. Еще одно преимущество разработки в том, что наноструктура может менять свое состояние неограниченное количество раз.
Из чего состоит наноструктура
В основе наноструктуры лежат синтезированные гидрогелевые сферические частицы из поли(N-изопропилакриламида) (pNIPAM). Это один из наиболее изученных и часто используемый учеными термочувствительный полимер. При комнатной температуре полимерные частицы впитывают воду (свойство гидрофильности) и увеличиваются в объеме. Но когда температура поднимается до +33 °C, у полимера происходит объемный фазовый переход, и он вытесняет из себя воду (свойство гидрофобности), уменьшаясь в объеме в два раза.
Далее поверхность полимера исследователи модифицировали разными наночастицами. В одном случае это были наночастицы кремния, а во втором — сочетание наночастиц кремния и золота. Кремний — это диэлектрик с высоким показателем преломления света, а золото — плазмонный материал. Вместе они усиливают электромагнитное поле и соответственно оптические свойства наноструктуры. Но как объединить наноструктуру с наночастицами кремния, если у них одинаковый отрицательный заряд? С этой задачей справился еще один автор статьи, аспирантка первого года обучения физического факультета Лидия Михайлова:
«Мы прибегли к хитрости и модифицировали поверхность частиц катионным полиэлектролитом PAH (полиаллиламина гидрохлорид), который позволил не только скомпенсировать отрицательный заряд поверхности кремния, но и придать полученным частицам положительный заряд», — рассказала она.
Лидия Михайлова. Фото из личного архива собеседницы
Обе наноструктуры рассматривались как в сжатом, так и в увеличенном состоянии. Фазовый переход, который меняет состояние наноструктуры, также может регулировать ее оптические свойства, например ― генерацию второй оптической гармоники. Это процесс, при котором наноструктуру облучают светом на одной длине волны, а она излучает свет на вдвое меньшей длине волны. Другими словами, если направить на наноструктуру инфракрасный свет, она будет излучать зеленый свет за счет своих нелинейных свойств.
«Совмещение наночастиц с разными свойствами позволило нам увеличить эффективность генерации второй оптической гармоники. Когда наноструктура находится в сжатом состоянии, расстояние между наночастицами золота и кремния сокращается, и материал начинает светиться в 35 раз сильнее в сравнении с разжатым состоянием. У наноструктуры с наночастицами кремния показатель интенсивности увеличивается только в семь раз, так как нет свободных электронов, которые появляются при облучении в сочетании с золотом и могут изменить оптические свойства», — отметил младший научный сотрудник физического факультета Виталий Ярошенко.
Виталий Ярошенко. Фото: Лилия Кичигина / Новый физтех ИТМО
Новая среда для исследований
В перспективе наноструктуры с улучшенными свойствами генерации второй оптической гармоники можно будет использовать в оптических системах нано- и микромасштаба. Ими могут стать интеллектуальные автоматические термочувствительные детекторы, роботизированные устройства, перестраиваемые оптические метаповерхности и другие схемы, в которых механические изменения в полимерах можно вызвать с помощью внешних воздействий.
«Мы хотели попробовать сделать наноструктуру, которая будет работать автоматически. Сейчас уже существуют материалы, способные менять генерацию второй оптической гармоники, но для них нужно заранее измерить вторую гармонику и вручную растянуть массив из наноструктуры. В зависимости от степени растяжения меняются и свойства второй гармоники. Но если процесс изменения материала будет происходить автоматически, это позволит нам внедрить его в более самостоятельные элементы системы, которые не требуют воздействия человека», — подчеркнула Елена Герасимова.
Дорожная карта проведенного исследования. A — схема синтеза микросфер pNIPAM (серый), модифицированных либо наночастицами кремния (желтый), либо наночастицами золота (красный) и кремния. B — иллюстрация фазового перехода pNIPAM. C — усиление второй оптической гармоники для pNIPAM, модифицированного кремниевыми наночастицам, и pNIPAM, модифицированного кремниевыми и золотыми наночастицами. Изображение предоставлено авторами исследования
В будущем ученым предстоит понять, как перенести наноструктуру в более подходящую среду. Дело в том, что полимер может сжиматься и разжиматься только в воде, поэтому исследования проводились в коллоидных растворах. Одно из возможных решений — это изменение способа синтеза полимера, чтобы он не высыхал на воздухе, а вырабатывал из него влагу, необходимую для изменения состояния.
Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-72-30018).
Статья: Elena Gerasimova, Vitaly Yaroshenko, Lidia Mikhailova, Dmitry Dolgintsev, Alexander Timin, Mikhail Zyuzin, Dmitry Zuev. Thermally Induced Mechanical Switching of the Second-Harmonic Generation in pNIPAM Hydrogels-Linked Resonant Au and Si Nanoparticles (Advanced Optical Materials, 2022).
Алёна Мамаева
Журналист
Поделиться
