20 April 2023, 19:00

Лазер помог настроить оптические свойства наночастиц для тераностики и фотоники

Ученые из МФТИ, Владимирского государственного университета и МИФИ научились управлять оптическими свойствами дисульфида молибдена, контролируя размер его наночастиц и процесс изменения химического состава. Технология позволяет получить наночастицы, которые можно использовать в электронике, нанооптике, нанофотонике и медицине.

Лазер помог настроить оптические свойства наночастиц для тераностики и фотоники
Слева изображены наночастицы дисульфида молибдена в спиртовом растворе, на верхней вставке видны оболочка и ядро частицы, на нижней — цвет раствора с частицами после 10, 20, 30, 40, 50 и 60 минут дефрагментации соответственно. Справа показан процесс превращения дисульфида молибдена в субоксид молибдена MoO3-x с ростом времени дефрагментации (визуализация получена методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии)

Дисульфид молибдена относится к классу дихалькогенидов переходных металлов — двумерных полупроводниковых кристаллов, имеющих слоистую структуру. Дихалькогениды переходных металлов отличаются высоким показателем преломления, гигантской анизотропией, а их монослои обладают прямой запрещенной зоной. Благодаря этим оптическим свойствам они используются в электронике и нанооптике в качестве транзисторов, биосенсоров, фотодетекторов и поляризаторов.

Наибольший интерес представляют наноразмерные структуры дихалькогенидов, однако основной способ их изготовления — нанолитография — сложный и трудоемкий. Ранее ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ показали, что с помощью обработки лазером можно получать сферические наночастицы дихалькогенидов желаемого размера, которые лучше поглощают свет и демонстрируют высокий фототермический отклик, то есть быстро нагреваются от света лазера.

В новой работе физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами усовершенствовали метод, чтобы управлять не только размером частиц, но и их химическим составом. Сначала авторы при помощи лазерной абляции, то есть лазерной «бомбардировки», кристалла дисульфида молибдена получили относительно крупные наночастицы размером от 30 до 340 нанометров. Затем их раздробили, поместив в растворе на магнитную мешалку и в процессе перемешивания облучая лазером. Так удалось изготовить более мелкие шарообразные наночастицы, причем чем дольше шла обработка, тем меньше они были и тем хуже поглощали свет.

Затем было решено все операции с частицами проделать не в воде, а в растворе этанола. Полученные частицы теперь имели четкое разделение на оболочку из двух-трех сплошных слоев дисульфида молибдена и ядро. При длительной фрагментации оболочка исчезала.

Исследователи также наблюдали изменение химического состава наночастиц с помощью рамановской спектроскопии. При обработке в течение 20–60 минут фиксировали промежуточную фазу между дисульфидом и оксидом молибдена, а более часа — оксид молибдена MoO3. Такие превращения авторы связывают с химической реакцией со спиртом.

«Исходный материал при взаимодействии с лазерным излучением и спиртовой средой превращался в наночастицы субоксида молибдена MoO3-x контролируемых размеров, проявляющие яркие экситонные свойства, которые мы впервые описали. Благодаря хорошему оборудованию нам удалось получить “мультфильм”, в котором видно, как происходит замещение серы атомами кислорода и дисульфид превращается в субоксид. Это значит, что мы знаем, в какой момент остановить реакцию, чтобы получить субоксид с заданной концентрацией тех или иных атомов, а следовательно — нужными оптическими свойствами», — рассказывает Алексей Прохоров, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.

Поскольку получаемые частицы обладали отличным фототермическим откликом, авторы видят их перспективу в тераностике, то есть одновременном обнаружении и лечении рака. Например, можно ввести наночастицы в опухоль, а потом облучить лазером — из-за нагрева злокачественные клетки погибнут. Также разработка окажется полезной в нанофотонике. Теперь исследователи планируют улучшить метод, чтобы размер частиц был более однородным, а еще придумать, как управлять соотношением размеров ядра и оболочки.

Source:  Пресс-служба МФТИ

News article profiles

News article publications

Read also

Легирование перовскитов позволило им излучать свет с разными длинами волн
Весь процесс происходил в растворе при комнатной температуре, а для точной настройки длины волны излучаемого света необходимо было лишь менять соотношение добавляемых прекурсоров — источников ионов иттербия и марганца
Materials Science
Nanophotonics
Nanotechnology
7 June 2023
Новый кристалл проявил свойства двумерных и слоистых материалов
Оптические свойства могут сделать его перспективным материалом для диэлектрической нанофотоники
Materials Science
Nanophotonics
Nanotechnology
New techniques
Optics
3 February 2023
Тонкий слой кремнезема позволил золотым наночастицам «сиять» ярче
Наночастицы золота, покрытые тонким слоем кремнезема, лучше рассеивают свет, чем те, что имеют плотную «шубу», а значит, их можно использовать как систему адресной доставки лекарств с «маячком» для слежения
Materials Science
Mathematical modeling
Nanomedicine
Nanophotonics
Nanotechnology
Optics
17 January 2023
Физики «научили» частицы рассеивать свет в форме гантели
Оказалось, что для этого нужно подействовать микроволнами на сфероидные диэлектрические частицы с большим показателем преломления. Предложенный подход поможет разработать высокочувствительные наноантенны и лазеры, а также детекторы пылевых зерен в космосе
Materials Science
Nanophotonics
23 June 2022
Российские ученые обнаружили условия, при которых скорость света падает до нуля
Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти
Laser physics
Materials Science
Optics
24 May 2022
Предсказаны новые галогениды для солнечной и водородной энергетики
Ученые обнаружили 67 новых соединений галогенов (хлора, брома, фтора и иода), которые потенциально могут существовать в двумерном виде, что открывает широкие перспективы их применения в прикладных задачах, например, при создании приборов для преобразования солнечной энергии. Проанализировав эти вещества, авторы выяснили, что некоторые из них способны извлекать из воды водород под действием солнечного света. Водород — перспективное топливо для «зеленой» энергетики, и обнаруженные соединения позволят удешевить его получение в три раза.
"Green" chemistry
Energy industry
Materials Science
18 March 2024