Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров — Naked Science
8 минут
СФУ

Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров

4.8

Научно-исследовательская группа ученых СФУ и ФИЦ КНЦ СО РАН предсказала существование нового типа плазмонов, связанных с переносом заряда. Эксперты оценивают полученный результат как весьма яркий и многообещающий с точки зрения создания основы для создания сверхчувствительных биосенсоров нового поколения.

Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров / ©medlibrary

Работа опубликована в рейтинговом международном журнале Journal of Chemical Physics. Наноплазмоника на сегодняшний день считается одной из самых быстроразвивающихся областей нанофотоники. Именно открытия в наноплазмонике могут внести решающий вклад в развитие биомедицины, солнечной энергетики и телекоммуникационных технологий. Исследователям из СФУ удалось предложить совершенно новый тип плазмонных частиц, которые имеют значительный потенциал.

«В отличие от хорошо известных «классических» плазмонов, которые генерируются, например, в наночастицах серебра и золота под действием внешнего электромагнитного поля, мы рассмотрели плазмоны, появляющиеся в металлических (золотых) наночастицах, связанных посредством мостиков (линкеров) — проводящих органических молекул (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема системы для генерации плазмонов с переносом заряда / ©Пресс-служба СФУ



Поведение классических плазмонов хорошо описывается классическими же уравнениями Максвелла. А в нашем случае значительную роль играют скорее квантовые эффекты, поэтому стандартные программы для решения уравнений Максвелла неприменимы. Кроме того, существует проблема описания свойств наночастиц, которые можно описать полностью квантовыми методами за разумное время с ограничением в несколько сот атомов в наночастице.

Чтобы преодолеть это ограничение и провести расчет плазмонных колебаний в рассматриваемой системе, мы разработали оригинальную гибридную квантово-классическую модель, учитывающую квантовые эффекты, с основными параметрами, полученными из квантово-химического моделирования», – отмечает один из авторов исследования, профессор СФУ Александр Федоров.

Ученые рассмотрели систему, состоящую из двух золотых наночастиц, связанных молекулой полиацетилена. Наночастицы в этой системе проявляют металлические свойства благодаря тепловому расширению уровней энергии вблизи энергии Ферми, которые важны для реализации предложенной модели возникновения плазмонов при переносе заряда между двумя наночастицами.

При этом проводящая молекула-мостик фактически является одномерным проводником, в котором электроны или дырки движутся в баллистическом режиме из-за того, что длина свободного пробега носителей значительно превышает длину мостика. 
«Ключевым моментом нашей модели является рассмотрение динамики электронов в системе, которая описывается на языке волновой функции. Под действием электрического поля электроны проводимости ускоряются, что приводит к изменению их квазиимпульса и кинетической энергии.

Изменение этих величин можно легко рассчитать, зная только структуру соответствующей зоны и эффективную массу электрона. В разработанной нами теории мы установили связь между квантовыми и классическими величинами — квазиимпульсом, импульсом и внешней силой, действующей на свободные носители.

Расчеты показали, что рассматриваемая система действительно обладает металлическими свойствами и может проводить постоянный или переменный ток, что может приводить к появлению плазмонов. При этом плазмонная частота, которая и интересна для приложений, смещается в инфракрасную область», – пояснил старший научный сотрудник СФУ Павел Краснов.

Авторы работы провели ряд необходимых квантово-химических расчетов и установили, что предложенный новый тип плазмонов и связанная с ними плазмонная частота отличаются высокой чувствительностью к внешнему окружению.

«Мы полагаем, что предложенный тип плазмонов может широко применяться в качестве химических зондов и биозондов. Это связано с тем, что при адсорбировании внешних молекул на молекуле мостика проводимость этой «мостовой» частицы будет очень резко меняться и это, в свою очередь, повлияет на частоту плазмонов, которую легко измерить. В принципе, разработанная нами гибридная квантово-химическая модель интересна и сама по себе.

Она закладывает основу для достаточно простого квантово-классического моделирования плазмонных систем и может применяться в широком спектре еще нерешенных задач плазмоники», – заключил соавтор исследования, ведущий научный сотрудник СФУ Сергей Полютов.

Исследование выполнено в рамках гранта РНФ.  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
СФУ
29 статей
Сибирский федеральный университет — высшее учебное заведение, расположенное в Красноярске. Первый в России федеральный университет. Крупный научно-исследовательский и образовательный центр в России. Крупнейший университет восточной части России.
Позавчера, 21:25
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

Позавчера, 19:01
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

Позавчера, 20:48
5 минут
Мария Кривоченко

Ученые создали компьютерную сеть, которая имитирует человеческий мозг. Благодаря ей удалось выяснить, как человек обрабатывает движущиеся изображения, и понять, как появляются оптические иллюзии.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

Позавчера, 21:25
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: