Хиральность — фундаментальное свойство, связанное с симметрией молекул, наночастиц или макроскопических объектов. Объект можно назвать хиральным, если его зеркальное изображение не идентично и не может быть совмещено с оригиналом при простом вращении или перемещении. Такие объекты имеют способность вращать плоскость линейно-поляризованного света, либо поглощать в разной степени циркулярно-поляризованный свет в зависимости от направления.

Несмотря на то, что это свойство было открыто еще в 19 веке и было применимо для молекулярных систем, область оптической активности получила новый виток развития с появлением технологий синтеза наноструктур с уникальными оптическими свойствами. Яркий тому пример ― плазмонные наноструктуры, оптическая хиральность которых может достигаться за счет асимметрии их геометрии.

Плазмонные наночастицы — это особый вид наноструктур, состоящих из благородных металлов (чаще всего — золота или серебра), которые способны локализовать электромагнитное поле в масштабах меньших, чем длина волны в оптическом диапазоне. При воздействии металлических частиц светом резонансной частоты на поверхности структуры возникают коллективные колебания электронов проводимости — плазмонов. Такие колебания очень чувствительны к условиям окружающей среды и в зависимости от неё меняют свой оптический отклик, то есть меняется их собственная частота.

Это свойство используется, например, в биосенсинге — для детектирования биологических проб, определения примесей, ионов тяжелых металлов, очистки фармацевтических препаратов и так далее. В свою очередь, если модифицировать геометрию или состав ансамбля из плазмонных наноструктур, то наноструктура может обрести хиральные свойства сравнительно лучше чем у молекулярных систем.

За счет этого свойства хиральные плазмонные наночастицы дают более точный оптический отклик и позволяют анализировать и детектировать вещества сразу по нескольким параметрам: например, изменению плазмонной частоты или величины эллиптичности. Хиральные наноструктуры имеют многообещающий потенциал в таких областях как, как молекулярное зондирование, сепарирование хиральных молекул на определенные энантиомеры или в качестве пассивных оптических поляризующих элементов.

Обычно для изготовления хиральных наночастиц используются химические методы (когда частицы выращивают из специальных молекул) или электронно-лучевая литография (нанесение частиц на поверхность полимера с помощью электронного пучка). Но химический метод сложно воспроизводим и требует специфических условий, а электронно-лучевая литография слишком дорогая.

Что сделали ученые ИТМО

Ученые из лаборатории «Фотофизика поверхности» Международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО предложили новый способ создания плазмонных наночастиц с хиральными свойствами. Золотые наночастицы помещаются в силикатную матрицу, затем термически обрабатываются и впоследствии образуют двух- и трехмерные наноструктуры, а затем облучаются светом с циркулярно-поляризованной волной в видимом диапазоне. В зависимости от того, в какую сторону «закручена» электромагнитная волна (по часовой или против часовой стрелки), из матрицы удаляются те частицы, которые поглощают свет этой частоты, и остаются те, которые на этой частоте резонируют. В итоге возникает ансамбль из наносфер различного диаметра, хиральность которых достигается именно за счет их «закрученности» в разные стороны.

«Закрученность» наночастиц не только дает еще одно дополнительное измерение для анализа веществ, но и открывает новые свойства. Например, уже известно, что наночастицы, покрытые хиральными молекулами, имеют специфическое проникновение в клетки (в зависимости от того, какой энантиомер на поверхности (L или D)). Это может быть полезно в медицинских применениях. А общая хиральность делает наночастицы более биосовместимыми.

Предложенный учеными ИТМО способ прост и недорог, также он позволяет создавать хиральные ансамбли гораздо большей площади (в 1 млн раз), чем та же электронно-лучевая литография или травление сфокусированным ионным пучком. Чем больше площадь ансамбля, тем больше аналитов исследуемого вещества будут взаимодействовать с поверхностью структуры. Например, такие ансамбли можно будет использовать в мультиплексной диагностике с помощью микрофлюидных систем (исследовании жидкостей в проточном режиме) и при создании «лабораторий на чипе».

Еще одно преимущество таких хиральных ансамблей — их можно исследовать с помощью традиционных спектрофотометров кругового дихроизма, тогда как для микронных структур, получаемых литографическими методами, требуется очень специфическое и оптомеханическое и оптическое оборудование для фокусировки на образец.

Что дальше

В дальнейшем ученые планируют перейти на более прикладные задачи — вместе со специалистами Сколково они будут разрабатывать газочувствительные устройства для детектирования различных аналитов, в частности, аммиака, этанола, ацетона и метанола. Такие устройства необходимы для мониторинга окружающей среды. Также физики ИТМО сотрудничают с научной группой лаборатории хиральной плазмоники и фотоники из Тель-Авивского университета и проводят совместные работы в области создания хиральных наноструктур фотохимическими методами.

Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 21-72-10098.

Статья:  Anastasiia Sapunova, Yulia Yandybaeva, Roman Zakoldaev, Alexandra Afanasjeva, Olga Andreeva, Igor Gladskikh, Tigran Vartanyan, Daler Dadadzhanov, Laser-Induced Chirality of Plasmonic Nanoparticles Embedded in Porous Matrix. Nanomaterials, 2023.