В ИТМО создали суперкомпактную платформу для сенсинга, детектирования и термометрии — Naked Science
8 минут
Университет ИТМО

В ИТМО создали суперкомпактную платформу для сенсинга, детектирования и термометрии

4.9

Сотрудникам лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Физико-технического факультета Университета ИТМО впервые удалось добиться перехода от спонтанного к вынужденному рассеянию в наночастицах, размер которых в десятки раз меньше аналогов. Таким образом, исследователи получили самую компактную платформу, которая поддерживала бы такой режим. Созданная платформа из наночастицы кремния на сапфировой подложке может использоваться в задачах сенсинга, детектирования и термометрии, что открывает широкие возможности для будущего применения ее в биомедицине, таргетной доставке лекарств, а также в качестве альтернативы электронным устройствам в оптических чипах.

Наночастицы диоксида кремния / ©phototass1.cdnvideo.ru

Недавно работа была принята для публикации в журнал Nano Letters. Эффект комбинационного рассеяния активно используется для детектирования физических состояний и явлений внутри молекул: в зависимости от их химической связи свет, попавший на молекулу, может рассеяться либо упруго, либо с изменением своей частоты.

Но обычно обратный сигнал получается очень слабым: если представить себе свет в виде потока фотонов, то из нескольких десятков миллионов их только один может рассеяться не упруго и дать необходимую информацию наблюдателю. Из-за этого ждать сигнал приходится очень долго, что затрудняет использование такого метода измерения в некоторых задачах, например, связанных с биологическими процессами.

«Мы  поставили перед собой цель дополнительно оптимизировать наночастицы, чтобы перейти в совершенно другой режим — вынужденного комбинационного рассеяния, который сам по себе является трудно достижимым. Мы достигли этого при помощи многостадийной оптимизации, теоретические расчеты для которой были проделаны бакалавром Даниилом Рябовым и экспериментально проверены аспирантом Георгием Зографом.

Авторы работы, Даниил Рябов (слева) и Геогрий Зограф (справа) / ©Пресс-служба Университета ИТМО

Оптимизация получается за счет изменения формы, размеров и геометрических параметров наночастиц. Также мы исследовали влияние теплоотвода. И оказалось, что наночастица на хорошо проводящей тепло подложке, например, на сапфире, позволяет достигать таких режимов взаимодействия и при этом избегать перегрева. При этом процесс полностью контролируемый, ведь мы можем одновременно и нагревать и мониторить температуру частицы», — рассказывает руководитель лаборатории лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров.

Изменение частоты при комбинационном рассеянии. Переход от спонтанного к вынужденному комбинационному рассеянию / ©Пресс-служба Университета ИТМО

Значительный вклад в работу сделал бакалавр третьего курса ФТФ Даниил Рябов — именно он рассчитал наиболее оптимальные и эффективные параметры, которые позволили бы вызвать вынужденное комбинационное рассеяние в частице размером всего лишь 600 на 500 нанометров. В результате работы получилась готовая платформа для сенсинга, которая выступает одновременно и термометром, и нагревателем. Более того, реализация платформы именно на кремнии — одном из главных элементов как оптики, так и микроэлектроники — значительно упростит будущее технологическое внедрение разработки.

Как рассказывает один из авторов работы Георгий Зограф, разработка имеет фундаментальное значение в исследовании явления комбинационного рассеяния в полупроводниковых наночастицах. «Сложив весь наш опыт, нам удалось доказать возможность наноразмерных источников вынужденного комбинационного рассеяния. То есть мы смогли создать такую сложную вещь, как вынужденное комбинационное рассеяние, на объекте, который во всех трех измерениях является нанометровым.

Если объект очень маленький, его очень легко можно перегреть — а это очень плохо для любых оптических применений. Благодаря тому, что мы знаем, как мерить температуру наночастицы, нам удалось закачать в нее достаточную мощность для появления эффекта вынужденного комбинационного рассеяния — при этом не дав нашему нанообъекту перегреться и сгореть», — замечает Георгий Зограф.

Собственные моды кремниевой наночастицы. Пространственное перекрытие мод / ©Пресс-служба Университета ИТМО

Однако, идеи о возможных будущих применениях разработки все же есть. В ИТМО уже были проведены исследования того, как полупроводниковые наночастицы могут использоваться в качестве контролируемых носителей лекарств. Благодаря тому, что эти частицы могут эффективно поддерживать оптический нагрев, такая полимерная оболочка легко лопается при облучении лазером и высвобождает лекарство — именно в том месте и в тот момент, когда это необходимо.

При спонтанном комбинационном рассеянии такой метод применять достаточно сложно — в силу слабости сигнала приходится тратить много времени и сил на то, чтобы его собрать. Переход же к вынужденному комбинационному рассеянию поможет более эффективно как запускать, так и контролировать этот процесс.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Университет ИТМО
19 статей
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО» — первое неклассическое высшее учебное заведение Санкт-Петербурга, один из национальных исследовательских университетов России.
Вчера, 13:47
2 минуты
Илья Ведмеденко

В Европе начались работы по проектированию космического мусоросборщика Clearspace-1. Контракт на его разработку намерены подписать в ноябре.

Позавчера, 13:59
4 минуты
Денис Гордеев

Ученые пришли к выводу, что искусственные подсластители не могут быть здоровой заменой сладким напиткам.

Сегодня, 07:08
7 минут
Мария Азарова

У мышей, которым давали глюкозу и фруктозу, в кишечнике выявили увеличение количества муколитических бактерий, способствовавших разрушению слизистой оболочки этого органа. В итоге у таких грызунов развивался колит.

26 октября
4 минуты
Денис Гордеев

Временные промежутки между посещениями дантиста могут составлять от трех месяцев до двух лет, в зависимости от индивидуальных факторов.

Позавчера, 13:59
4 минуты
Денис Гордеев

Ученые пришли к выводу, что искусственные подсластители не могут быть здоровой заменой сладким напиткам.

26 октября
7 минут
Василий Парфенов

Пусть романтика мирного атома с середины 1960-х поутихла, к идее использования ядерных реакторов в «гражданских» целях все равно возвращаются регулярно. Новый ядерный ракетный двигатель (ЯРД) позволит доставить человека на Марс гораздо быстрее, чем это возможно сейчас.

20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

1 октября
39 минут
Александр Березин

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС прорабатываются в России — и все несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что заставляет космическую отрасль все чаще думать об атомных реакторах? Как ни странно, дело в том, что и ядерная энергетика в космосе становится еще важнее, чем на Земле. Попробуем разобраться почему.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: