Ван-дер-ваальсовы материалы представляют собой обширное семейство слоистых кристаллов, изучение которых объединяет множество научных дисциплин. Их уникальность заключается в том, что плоские молекулярные слои удерживаются в объемной структуре не химическими связями, а слабыми электромагнитными взаимодействиями (силами Ван-дер-Ваальса). Это придает материалу ярко выраженные анизотропные свойства — его оптические и электронные характеристики существенно меняются в зависимости от направления.
От графена к диселениду вольфрама
С момента знаменательного открытия монослоя графена Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году, ученые идентифицировали тысячи других ван-дер-ваальсовых материалов. Среди них встречаются металлы, диэлектрики и полупроводники. Диселенид вольфрама (WSe2) относится к полупроводникам этого класса и обладает выдающимися оптическими свойствами: интенсивным поглощением света в диапазоне, где биологические ткани прозрачны, и высоким коэффициентом преломления. Эти качества открывают широкие перспективы для его использования в электронике, оптических устройствах и медицинских технологиях.
Преодоление структурных ограничений
Для биомедицинских задач и создания оптических нанорезонаторов оптимальны сферические наночастицы. Однако сама природа ван-дер-ваальсовых кристаллов препятствует их формированию. Исходные кристаллы раскалываются по определенным направлениям, образуя микропластинки с острыми гранями вместо нужных сфер. Чтобы преодолеть это ограничение и преобразовать плоскую структуру в сферическую, исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ успешно применили метод фемтосекундной лазерной абляции. Эта технология основана на сверхточном воздействии на поверхность ультракороткими лазерными импульсами длительностью менее триллионной доли секунды.
Технология синтеза: быстро, чисто, масштабируемо
«Мощные ультракороткие лазерные импульсы в процессе абляции мгновенно превращают участок кристаллической мишени (WSe2) в плазму, — поясняет Дмитрий Дюбо, аспирант лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — В течение наносекунд плазма конденсируется в наночастицы WSe2, которые немедленно попадают в деионизированную воду. Благодаря исключительно малой длительности импульсов удается избежать механического повреждения и перегрева мишени. Синтез протекает в обычных условиях и легко масштабируется различными способами».
Уникальные свойства и широкие возможности
Полученные наночастицы диселенида вольфрама имеют диаметр от 10 до 150 нанометров — идеальный размер для проникновения сквозь клеточные мембраны. Частицы сохраняют уникальные оптические свойства исходного кристалла, а их сферическая форма создает дополнительные преимущества для нанооптики. Нахождение в коллоидном растворе обеспечивает простоту нанесения на любые поверхности, значительно расширяя область применения. Ученые продемонстрировали это, создав на основе частиц эффективные подложки для усиления сигналов гигантского комбинационного рассеяния.
Эффект нанорезонатора и теплоизоляции
Эксперименты выявили впечатляющий фототермический эффект: под воздействием света частицы нагреваются в четыре раза эффективнее, чем исходный кристалл или кремниевые наночастицы аналогичного размера. Их сферическая форма действует как оптический резонатор, многократно отражающий свет и преобразующий его в тепло. Воздушные промежутки между частицами служат отличным теплоизолятором, препятствуя быстрому рассеиванию тепла.
Яркие перспективы для медицины и фотоники
Применение наночастиц WSe2 в тераностике (совмещении диагностики и терапии) и посткремниевой нанофотонике выглядит чрезвычайно перспективным. Метод фемтосекундной лазерной абляции, сочетающий простоту исполнения с высокой производительностью, делает технологию синтеза особенно привлекательной для промышленного внедрения.
«Фототермические наночастицы — ключевое направление для биомедицины, — делится планами Андрей Ушков, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ. — Мы намерены расширять спектр материалов для этой сферы, адаптируя метод фемтосекундной абляции. Дальнейшая работа будет сосредоточена на улучшении сортировки частиц по размерам для точной настройки их отклика и на повышении эффективности за счет создания гибридных наноструктур».
В исследовании приняли участие специалисты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Объединенного института ядерных исследований, компании XPANCEO (ОАЭ), НИЯУ МИФИ, СПбГУ, СПбАУ, Ереванского Государственного университета и Университета Экс-Марсель (Франция).
Источник: naked-science.ru
