Профессор Университета ИТМО стал приглашенным редактором спецвыпуска международного научного журнала Nanomaterials

В интервью ITMO.NEWS он подробно рассказал о грядущем номере, работе по созданию экологичных материалов для устройств нанофотоники будущего, а также о том, какие новости науки в последние годы его удивляли больше всего.

Для начала расскажите, пожалуйста, о приглашении, которое вы получили от редакции журнала Nanomaterials.

Сегодня журнал Nanomaterials находится на подъеме — ему исполняется десять лет, у него сравнительно высокий импакт-фактор, он находится в первом квартиле по разделу «material science» и во втором квартиле по «nanoscience» (подробнее о системе квартилей читайте в нашем интервью с экспертом «Clarivate Analytics»). При этом публикации идут в открытом доступе, то есть авторы оплачивают редакционные издержки, а для читателей доступ к материалам бесплатный.

Недавно редакция журнала обратилась ко мне с просьбой стать приглашенным редактором специального выпуска, который называется «Электронные и оптические свойства наноструктур». Номер сейчас формируется: я послал приглашения ведущим ученым мира в США, Германию, Францию, Ирландию, Великобританию, Японию, Австралию. Приглашаю присоединиться и моих коллег из ИТМО и других российских университетов и научных организаций. Статьи будут публиковаться по мере поступления и прохождения рецензирования, которое занимает около двух недель. Прием заявок будет идти до 31 декабря.

Чем интересен для международного научного сообщества этот выпуск?

За последние десятилетия мы увидели большие успехи химиков в синтезе различных наноструктур — новые структуры создают массово, разной формы, из разных материалов. Более того, начинается активное применение этих наноструктур в качестве маркеров биообъектов, сенсоров, детекторов, источников оптического излучения и так далее. Между тем, ощущается недостаток в описании фундаментальных физических процессов, формирующих необычные оптические свойства таких наноструктур, что в ряде случаев заметно затрудняет предсказание их электронной энергетической структуры и оптических свойств.

Как вы думаете, почему редакция журнала обратилась именно к вам?

Наша команда занимается наноструктурами уже много лет, сам я работаю в этой области с 1990-х годов. В этом направлении нами опубликованы сотни статей в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science, а также получено более десяти патентов на изобретения. Наш центр совместно с ведущим ученым профессором Юрием Гунько успешно выполнил мегагрант «Разработка новых систем хиральных квантовых точек и их применение». А сейчас мы совместно с профессором Андреем Рогачем, который также является одним из ведущих специалистов в области, работаем над мегагрантом «Светоизлучающие углеродные точки».

С Юрием Гунько мы изучали оптические свойства полупроводниковых нанокристаллов. Нами были синтезированы и исследованы новые хиральные наноструктуры (слово «хиральный» происходит от греческого χειρ — «рука»)

Хиральным называется объект, который, как человеческие руки, не обладает зеркальной симметрией и существует в двух формах, которые условно можно назвать «левой» и «правой». Примером таких объектов являются молекулы сахара, а также активные молекулы многих лекарственных препаратов. Левые и правые молекулы и наноструктуры по-разному взаимодействуют с электромагнитным полем, что можно использовать для создания излучателей света с правой либо левой круговой поляризацией.

Также на основе хиральных наноструктур можно создать сенсоры для экспресс-анализа лекарственных препаратов. Как я уже сказал, значительная часть лекарств в качестве активного вещества содержит хиральные молекулы, при этом одна из их форм — левая или правая — может быть «полезной», а вторая не оказывать никакого эффекта или даже вредить. С помощью наших сенсоров можно быстро проверить новый препарат или дженерик на «полезность».

Наш второй мегагрант посвящен углеродным точкам. Это очень интересные объекты, которые безвредны для человека, при этом они могут излучать свет. На их основе можно построить эффективные излучатели для использования, скажем, в мониторах и телевизорах. Это шаг к «зеленой» фотонике, так как здесь не применяются свинец, ртуть, мышьяк и так далее. Однако есть проблема: углеродные точки хорошо излучают в синей и зеленой области спектра, но значительно хуже работают в красном и желтом диапазоне, а цветное изображение экранов, как известно, формируется из красных, зеленых и синих пикселей. Цель нашего проекта — добиться того, чтобы углеродные точки хорошо излучали в красной и желтой области спектра.

В целом в нашем центре семь лабораторий, и у каждой есть свои направления исследований, так что мы занимаемся очень широким кругом задач, которые связаны с наноматериалами. Вероятно, это и отметила редакция.

В начале интервью вы сказали, что есть перекос между успешной практикой создания наноматериалов и фундаментальной физикой, описывающей эти процессы. Почему ученые-теоретики отстают от практики?

Сегодня химики научились синтезировать наноструктуры в виде квантовых ям, квантовых нитей, сфер, параллелепипедов, стержней, гантелей, пирамид, тетраэдров, тетраподов и даже «цветов» и «наноматрешек», где одна структура находится внутри другой. Кроме того, созданы более сложные нанообъекты, состоящие из перечисленных выше «элементарных» структур. Однако описание большинства из их связано с очень сложной математикой. В принципе квантовая механика позволяет решить любые современные задачи, но встает вопрос, какой ценой.

Цена вопроса может быть очень высока. Простой пример из современной математики: есть такая теория графов, с помощью которой можно описать логистические системы. Вы нарисовали граф, который состоит из n вершин, соединенных ребрами. Вам нужно решить так называемую задачу коммивояжера, то есть построить путь так, чтобы пройти по этим ребрам все вершины, затратив минимум времени. Если количество вершин превысит 60, то даже современный суперкомпьютер методом перебора может искать решение триллионы лет.

В физике наноструктур таких вопросов много. Дело в том, что при исследовании наноструктур требуется учитывать их реальную форму. Если мы говорим о макроскопических объектах, нам зачастую не нужно принимать в расчет их размер, форму и состояние поверхности, однако для нанообъектов эти параметры очень важны. Поэтому получается следующая ситуация: рассчитать аналитически или численно ключевые характеристики одиночного атома достаточно просто, выполнить аналогичные расчеты для системы из бесконечного числа атомов, например, кристалла (когда мы просто пренебрегаем формой, размером и состоянием поверхности макроскопического тела) тоже относительно просто.

А вот систему из нескольких сотен или тысяч атомов описать крайне сложно, поскольку аналитические результаты удается получить лишь для наноструктур, обладающих высокой пространственной симметрией (сфера, цилиндр, параллелепипед), а их численное моделирование, аналогично задаче о коммивояжере, сталкивается с проблемой ограниченных вычислительных ресурсов современных суперкомпьютеров.

Но так ли это важно, если, как вы сами сказали, наноструктуры синтезируются, а технологи находят им применение?

В этом и проблема: применение находится, но как? К примеру, вы синтезировали новый материал, а затем хотите на его основе сделать наноустройство. Чтобы оно оптимально работало, нужно понять, какие модификации материала и наноструктуры вам надо сделать, а это без фундаментальной теории сделать крайне сложно. Вам придется идти бесконечным путем проб и ошибок.

А какие открытия в области наноматериалов вас поразили за последние годы больше всего?

Последней такой работой стал, пожалуй, синтез нанопластин, который впервые получился у международной группы исследователей, базирующейся во Франции.

В чем тут дело? Когда вы синтезируете, например, квантовые точки, то они получаются у вас немножко разного размера. От размера зависит их спектр поглощения и люминесценции. То есть если вы, условно, возьмете стакан квантовых точек, то они все будут немного разными, и спектр поглощения и люминесценции будет у них разный, следовательно, у всего стакана он будет очень широким. Это называется размерным неоднородным уширением оптических спектров. Французам удалось синтезировать очень тонкие полупроводниковые пластинки с толщиной 4, 5, 6, 7 и 8 монослоев. Теперь в нашем условном «стакане» находятся нанопластины одинаковой толщины. Спектр поглощения и люминесценции у таких пластин очень узкий, нет размерного неоднородного уширения.

Для чего это важно? К примеру, чтобы получить узкую линию лазерного излучения, а не широкую полосу. Кстати, некоторое время назад мы совместно с немецкими и белорусскими учеными внесли вклад в исследование нанопластин и опубликовали в журнале ACS Nano статью, посвященную влиянию внешнего электрического поля на их оптические свойства, затем группа наших теоретиков предложила подход, позволяющий конструировать новые нанообъекты, включая нанопластины. Наконец, в настоящее время мы выполняем проект РНФ «Источники излучения ближнего ИК диапазона на основе полупроводниковых квантовых нанопластин.

Расскажите, пожалуйста, какие у вас ожидания от спецвыпуска, который вы редактируете?

Мы попытаемся охватить широкий круг наноструктур различной размерности на основе диэлектрических, полупроводниковых и металлических материалов, а также их композитов, включая метаматериалы. Хочется получить срез современного состояния дел в области изучения электронных и оптических свойств наноструктур. Крайне важно, чтобы ведущие исследователи приняли участие в спецвыпуске и обозначили в своих работах дальнейшие направления развития исследований.

Хочется, чтобы вышел том, который мог бы посмотреть молодой ученый, аспирант, магистрант и студент бакалавриата и увидеть перспективные направления исследований и понять, какие задач ждут своего решения. Это было бы важно и интересно.