Лазер помог настроить оптические свойства наночастиц для тераностики и фотоники

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.