Что такое перовскиты и где они используются

Наноматериалы на основе галогенидных перовскитов активно применяются в различных областях — например, благодаря их люминесцентным свойствам и низкой стоимости можно создавать светодиоды и солнечные батареи, а способность этих минералов поглощать свет используется для изготовления эффективных фотодетекторов.

«Перовскиты — это очень интересный и перспективный материал, который у нас развивается по большей части с точки зрения фотовольтаики или полупроводниковых диодов. Но на самом деле его свойства не ограничиваются только этим. При определенных условиях его можно использовать для биологических применений. И мы как раз это попытались сделать», — говорит аспирант Нового физтеха ИТМО Алексей Пельтек.

Но есть у перовскитов и недостаток. Попадая в воду, они теряют свои физические свойства, добавляет старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Зюзин. Именно это до недавнего времени мешало использовать перовскиты в качестве светящихся маркеров. Поэтому ученые поставили перед собой задачу — сделать так, чтобы перовскиты были устойчивыми как в воде, так и в биологических жидкостях, например, в клеточных средах.

Как удалось получить водостойкие перовскиты

Ученые Нового физтеха ИТМО использовали свинцово-галогенидные перовскиты — они состоят из цезия, свинца и трех галогенов. Как только в материал из перовскитов попадала вода, из них моментально вымывалась цезиевая соль и, как результат, менялся химический состав и терялись люминесцентные свойства. Поэтому нужно было придумать, как защитить перовскиты от проникновения молекул воды и лишних галогенов из биологических жидкостей.

Исследователи в течение года работали над созданием перовскитных нанокристаллов, покрытых специальной силикатной оболочкой. Она модифицирована органическими отталкивающими воду химическими группами. По словам научного сотрудника Нового физтеха ИТМО Льва Зеленкова, благодаря этой оболочке перовскиты сохраняют свои свойства в водных средах до одной недели.

После этого ученые решили проверить, как водостойкий материал будет вести себя не только в воде, но и в клеточных культурах, добавив покрытые силикатной оболочкой нанокристаллы в клеточную среду.

«Мы добавили перовскитные наночастицы к имеющимся у нас биологическим объектам и попробовали визуализировать с помощью оптической микроскопии. В качестве биологической модели мы использовали опухолевые клетки», — говорит Михаил Зюзин.

При взаимодействии с клеткой перовскиты не деградировали и продолжали излучать свет, что доказывало их стабильность.

«С точки зрения физики это удивительно, что такой новый химический синтез позволил придать дополнительную функциональность этому материалу, защитить его от растворения и сделать безопасным для самих живых клеток», — добавляет профессор Нового физтеха ИТМО Сергей Макаров.

Следующим шагом станут исследования на лабораторных животных: ученые проверят, будут ли перовскитные наночастицы также стабильны внутри живых организмов. Кроме того, исследователи планируют снизить токсичность перовскитов, заменив свинец на более экологичный материал. В будущем это может помочь сделать наноматериал более безопасным в использовании.

Где могут использоваться водостойкие перовскиты

Потенциально водостойкие нанокристаллы галогенидов перовскита смогут применяться, например, в биоимиджинге. Это направление, основанное на сочетании современных достижений в науке о материалах и флуоресцентной микроскопии. С помощью систем биоимиджинга можно изучать биологические процессы в динамике.

Как поясняет Михаил Зюзин, благодаря своим уникальным оптическим свойствам перовскитные наночастицы потенциально могут применяться в качестве флуоресцентных маркеров. Их сильное «свечение» может быть использовано для визуализации того или иного органа. Но пока говорить об этом рано — сначала требуется провести целый ряд исследований на клетках и животных.

Помимо биологии и медицины, перовскиты в перспективе могут применяться и в ряде других областей, но для этого потребуется провести дополнительные эксперименты.

«Подтвердив устойчивость наших наноматериалов в водных средах, мы показали лишь одну область применения. Но разработка может быть полезна не только в биологии. Водоустойчивые нанокристаллы из перовскитов можно использовать в качестве декоративного люминесцирующего красителя, а также меток для защиты документов. Нам прежде всего было важно создать реальное работающее решение. Теперь мы будем тестировать его в разных условиях», — заключает Сергей Макаров.

Статья: Pavel M. Talianov, Oleksii O. Peltek, Mikhail Masharin, Soslan Khubezhov, Mikhail A. Baranov, Audrius Drabavičius, Alexander S. Timin, Lev E. Zelenkov, Anatoly P. Pushkarev, Sergey V. Makarov and Mikhail V. Zyuzin, «Halide Perovskite Nanocrystals with Enhanced Water Stability for Upconversion Imaging in a Living Cell», J. Phys. Chem. Lett., 2021.