Что такое углеродные квантовые точки
Это наноразмерные структуры, которые могут состоять из одного или нескольких слоев графена, представляющего собой монослой атомов углерода. Оптические свойства углеродных точек так же, как и других квантовых наноструктур, зависят от их размеров и формы. Однако, в отличие от последних, оптические свойства углеродных точек радикально зависят от их химического состава и структуры. Это значит, что если некоторые атомы углерода заменить атомами других химических элементов или нанести на поверхность углеродной точки специально подобранные молекулярные комплексы, то можно получить наноструктуру с новыми оптическими свойства. В результате модифицированная углеродная квантовая точка будет излучать свет (люминесцировать) на заданной длине волны. Уже сейчас удалось получить углеродные квантовые точки, достаточно эффективно люминесцирующие в синей и зеленой областях спектра.
В отличии от традиционных квантовых точек, нанокристаллов полупроводников, где спектральное положение полос люминесценции определяется прежде всего размерами нанокристаллов, спектральные и кинетические характеристики люминесценции углеродных точек в большей степени определяются их внутренней структурой, наличием объемных и поверхностных дефектов, а также типом и количеством внедренных примесных атомов, замещающих атомы углерода.
Задачи новой лаборатории
Главной задачей, которую необходимо будет решить сотрудникам создаваемой в Университете ИТМО лаборатории, является разработка методик синтеза углеродных наноточек различного строения и состава. Также ученые будут исследовать и моделировать физические процессы, которые определяют спектральные и кинетические параметры люминесценции наноточек. То есть необходимо будет разработать научные основы методик и подходов, которые позволят управлять оптическими свойствами этих интересных объектов. Например, если потребуется получить излучение в красной области спектра, то благодаря работе ученых будет точно известно, какие физические модификации нужно произвести с углеродной квантовой точкой, как изменить ее структуру и химический состав, «вставляя» в нее атомы других элементов, чтобы она излучала свет необходимой длины волны.
Спектр излучения известных сегодня углеродных точек ограничен в основном сине-зеленой областью, в то время как в желто-красной области интенсивность люминесценции существенно слабее. Поэтому одна из задач лаборатории светоизлучающих углеродных квантовых наноструктур будет связана с изучением физических параметров углеродных точек, модификация которых необходима для расширения спектра их излучения в красную область.
«До настоящего времени методики получения углеродных наноточек с различными параметрами люминесценции основывались в основном на данных разрозненных экспериментальных исследований. Пришло время формализовать, упорядочить и существенно дополнить эту информацию для того, чтобы смоделировать физические закономерности, позволяющие формировать углеродные точки с заданными оптическими параметрами, то есть научиться управлять их свойствами, важными для различных приложений в нанофотонике и биологии», – прокомментировал руководитель лаборатории «Оптика квантовых наноструктур» Александр Баранов.
Новое исследовательское подразделение Университета ИТМО будет создано на основе коллектива научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО, имеющего успешный опыт многолетнего сотрудничества с выдающимся ученым, директором-учредителем Центра функциональной фотоники в Городском университете Гонконга профессором Андреем Рогачом. Он является одним из самых цитируемых ученых в области материалов для фотоники в мире, а также пионером и признанным экспертом в области синтеза и исследования углеродных квантовых точек. А команда Университета ИТМО обладает высокой экспертизой в области исследования оптических процессов в полупроводниковых квантовых точках разного типа и теоретического моделирования их электронной структуры. Поэтому сотрудничество в рамках мегагранта должно принести новые результаты мирового уровня.
Практическое применение углеродных наноточек
В случае создания углеродных точек, стабильно люминесцирующих с высоким квантовым выходом в широкой области спектра, на их основе можно будет разработать новые методики люминесцентной биологической сенсорики и визуализации биоструктур. Сенсорика основана на том, что в организм вводятся особые вещества-маркеры, которые за счет своих химико-биологических свойств «прикрепляются» к определенным клеткам. Если посветить на них определенным излучением, такие маркеры начнут светиться, тем самым показывая, где именно находятся клетки или что это за клетки в случае, если маркеры могут прикрепиться только к конкретному типу клеток.
Сейчас основная часть люминесцентных маркеров на основе квантовых точек использует полупроводники, в состав которых входят токсичные элементы, такие как кадмий или свинец. Поэтому использование их «in vivo», то есть в живом организме, вызывает возражения в медицинских кругах. Маркеры же, которые удастся разработать с использованием углеродных наноточек, будут биосовместимы, так как их токсичность очень низка. Более того, за счет того, что у них остается много «пустых» или «оборванных» химических связей, разнообразие биоструктур, к которым они могут «прикрепляться», очень велико.
В случае создания углеродных точек, эффективно люминесцирующих в красной области спектра, открываются возможности использования набора «красно-зелено-синих» точек в качестве активных элементов для светодиодов и QLED-дисплеев, то есть выстраивать цветные изображения по схеме RGB (Red-Green-Blue).
Все практические применения углеродных точек вписываются в концепцию «зеленой» нанофотоники. Под этим определением подразумеваются исследования в области создания солнечных элементов, фотоэлектрических устройств, энергоэффективных источников света и дисплеев, экологически чистых материалов для оптических и электронных устройств, то есть такие технологии, которые используют возобновляемые источники энергии или ресурсы, а также не вредят окружающей среде.
Справка: гранты правительства Российской Федерации выделяются в размере до 90 миллионов рублей каждый на проведение научных исследований в течение трех лет (2018-2020 годы). Этой осенью конкурс на мегагранты состоялся уже в шестой раз, при этом научно-образовательный центр физики наноструктур Университета ИТМО выиграл его уже во второй раз. Также гранты получили еще другие 34 научные группы, работающие в разных областях: механика, машиностроение, науки о Земле, медицина, психология, сельское хозяйство, математика и другие.
