В ИТМО объяснили необычное поведение ультрамалых плазмонных частиц

Наночастицы благородных металлов, таких как серебро или золото, могут поглощать и рассеивать свет. При этом максимальное поглощение наблюдается на длине волны так называемого плазмонного резонанса. Это явление встречается в произведениях искусства: например, яркие цвета средневековых витражей появляются благодаря крошечным металлическим частицам, добавленным в стекло. Плазмонный резонанс используется в биомедицине и сверхчувствительных сенсорах. Так, с его помощью можно маркировать и визуализировать нужные клетки для дальнейшего наблюдения за ними, генерировать тепло под воздействием света для уничтожения раковых клеток при фототермической терапии и точнее анализировать химический состав лекарств или ДНК для диагностики заболеваний с помощью рамановской спектроскопии.

Плазмонный резонанс зависит от формы и, что важно, размера наночастиц. В диапазоне от 10 до 30 нанометров наноматериалы поглощают свет одинаково вне зависимости от длины волны. Но в диапазоне от 3 до 10 нанометров плазмонный резонанс начинает вести себя необычно, резко смещаясь в коротковолновую (синюю) область спектра. До сих пор физики-теоретики не могли понять причину этого явления. Такое аномальное поведение частиц, которое не описывается стандартными подходами, говорило о несовершенстве используемых моделей и неполном понимании процессов, происходящих на наномасштабах.

Ученые ИТМО, Красноярского научного центра СО РАН, Сибирского федерального университета и Университета Уппсала изучили, как размер наночастиц влияет на спектральное положение их плазмонного резонанса. На основе полученных данных исследователи построили комплексную теоретическую модель, которая эффективно объясняет изменения резонансных характеристик частиц по мере уменьшения их размеров (от 10 нанометров и менее — до 3 нанометров). С помощью модели можно точно предсказать оптические свойства золотых и серебряных наночастиц в широком диапазоне размеров, что в итоге поможет ученым быстро и с меньшей долей ошибок создавать материалы с нужными параметрами.

«С уменьшением размера частиц меняется и поведение электронов внутри них. Из очень маленькой металлической частицы электроны проводимости вытесняются, и часть из них "выходит" за пределы частицы, сосредотачиваясь вблизи ее поверхности. Одновременно в поверхностном слое внутри частицы возникает область с пониженной плотностью электронов проводимости, образуя своего рода оболочку с особыми свойствами материала. При этом толщина оболочки не зависит от размера частицы. Это называется эффектом вытеснения. Кроме этого, возникает эффект объемного сжатия наночастиц: когда они становятся совсем маленькими, то начинают сжимать сами себя, и это сопровождается увеличением плотности электронов проводимости внутри всей частицы. В итоге оба эффекта приводят к тому, что наночастицы серебра размером менее 10 нанометров начинают сильнее поглощать свет в более коротковолновой (синей) области спектра, а не в длинноволновой (красной), как частицы большего размера», — объяснил один из авторов исследования, доцент физического факультета ИТМО Андрей Богданов.

Плазмонные наночастицы уже используются в биомедицине, например, для клеточной визуализации, обнаружения молекул внутри живых клеток, получения биоизображений с использованием флуоресценции, усиленной плазмонами, и оптической спектроскопии. Открытие ученых поможет глубже понять поведение ультрамалых наноматериалов, позволит использовать их более осмысленно и точнее предсказывать результат применения.

«Уникальная способность ультрамалых плазмонных наночастиц размером менее 10 нанометров состоит в том, что они усиливают электромагнитное поле исключительно вблизи своей поверхности на наноразмерных расстояниях. Это свойство делает их незаменимыми для медицинских сенсорных технологий, которые способны детектировать разные объекты — молекулы, вирусы и белки. Также плазмонные частицы уже используются в устройстве для лечения рака простаты с помощью фототермической терапии с применением частиц с золотыми нанооболочками. Поэтому следует уделить внимание биологическому применению ультрамалых наночастиц, которые обладают способностью проникать в клетки через ионные каналы клеточных мембран. Это открывает новые возможности для точного уничтожения злокачественных клеток с помощью лазерной гипертермии», — отметил ведущий научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН», доктор физико-математических наук Сергей Карпов.

Помимо медицины, лучшее понимание поведения ультрамалых частиц позволяет  исследователям начать работу в области новой физики, в том числе квантовой плазмоники, и предложить концепцию устройств с низким энергопотреблением. Они способны осуществлять сверхбыстрые логические операции в сверхчувствительных оптических элементах на основе ультрамалых плазмонных наночастиц.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».