Многофункциональные метаповерхности на основе гибридных графено-металлических наноструктур

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-10208

НазваниеМногофункциональные метаповерхности на основе гибридных графено-металлических наноструктур

Руководитель Якубовский Дмитрий Игоревич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова Графен, метаповерхность, плазмон, биосенсор, бионаноэлектроника, нейроинтерфейс

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из наиболее важных задач, стоящей перед современными информационными технологиями, является создание элементной базы, обеспечивающей передачу информации между живыми организмами и вычислительными системами. Для решения этой задачи разрабатываются различные биоинтерфейсы, которые должны стать ключевым компонентом для соединения человеческого организма с устройствами микроэлектроники. Одним из наиболее перспективных направлений исследований в этой области считается разработка графеновых биоинтерфейсов. В настоящее время графеновые биороинтерфейсы уже продемонстрировали свою высокую эффективность, прежде всего высокую разрешающую способность, и безопасность, но при этом не решена проблема бесконтактного стимулирования и контроля живых тканей. Предполагается, что решением может стать использование гибридных графено-металлических наноструктур, где металлические или металло-диэлектрические наноструктурные компоненты будут играть роль антенны для приема и передачи сигналов. С одной стороны графен является атомарно тонким слоем и поэтому практически не влияет на размеры наноструктур, а с другой стороны обладает множеством уникальных свойств (высокая электропроводность и рекордная среди всех известных материалов теплопроводность, высокая прочность и гибкость, химическая и термическая стабильность, а также самая большая площадь поверхности на единицу массы, доступная для взаимодействия с биологическими компонентами и адаптируемая к любым поверхностным модификациям, кроме того, широкий спектр поглощения - от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения), которые могут обеспечить расширенные функциональные возможности для биоинтерфейсов. Любой биоинтерфейс, предназначенный для имплантации, должен быть минимально инвазивным, насколько это возможно, обеспечивать минимальное хирургическое вмешательство и обеспечивать эффективную работу в течение всего срока срока службы. Биоинтерфейсы на основе графена обладают превосходной биосовместимостью и высокой механической прочностью. При этом использование графена в качестве подложки определяет кинетику роста металлических структур и вместе с этим их электрические и оптические свойства. В рамках настоящего проекта предполагается разработка технологий создания и создание многофункциональных метаповерхностей на основе гибридных графено-металлических наноструктур и изучение возможностей их использования в качестве биоинтерфейсов, способных детектировать, обрабатывать и передавать химические и биологические сигналы. При этом в перспективе вместо графена могут быть использованы и другие двумерные материалы или их комбинации в виде ван-дер-ваальсовых гетероструктур. На первом этапе выполнения проекта будут определены оптимальные конфигурации биоинтерфейсов, представляющих собой метаповерхности на основе графено-металлических наноструктур. Геометрия и структурные свойства разрабатываемых метаповерхностей будут оптимизированы в зависимости от типа конкретного анализируемого объекта, в качестве которых могут выступать низкомолекулярные соединения, крупные биологические молекулы, а также клетки и их органеллы. Будут отработаны технологии создания таких графено-металлических биоинтерфейсов, начиная от технологий синтеза и переноса графена, а также его наноструктурирования, и заканчивая формированием на поверхности двумерного материала металлических наноструктур с заданными свойствами. Будут определены условия возбуждения, а также характеристики оптических резонансов в гибридных наноструктурах при использовании электромагнитного излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Отдельное внимание будет уделено разработке и оптимизации методов иммобилизации анализируемых объектов на гибридные графено-металлические биоинтерфейсы. На заключительном этапе выполнения проекта для созданных метаповерхностей на основе гибридных графено-металлических наноструктур будут разработаны протоколы биодетектирования и продемонстрирована их эффективность для детектирования изменений оптических свойств среды, вызванных адсорбцией вещества, и для спектроскопии гигантского (поверхностно-усиленного) комбинационного рассеяния.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ермолаев Г.А., Комиссар Д.А., Кривова Г.М., Татаркин Д.Е., Воронин К.В., Якубовский Д.И., Стебунов Ю.В., Арсенин А.В., Новиков С.М., Волков В.С. Excitonic nature of dispersion of two-dimensional transition metal dichalcogenides and effect of annealing on excitons Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2019)

2. Якубовский Д.И., Стебунов Ю.В., Киртаев Р.В., Ермолаев Г.А., Миронов М.С., Новиков С.М., Арсенин А.В., Волков В.С. Ultrathin and Ultrasmooth Gold Films on Monolayer MoS2 Advanced Materials Interfaces, 1900196 (год публикации - 2019)
10.1002/admi.201900196

3. Якубовский Д.И., Арсенин А.В., Киртаев Р.В., Ермолаев Г.А., Стебунов Ю.В., Волков В.С. Near-field characterization of ultra-thin metal films Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2019)

4. Татаркин Д.Е., Якубовский Д.И., Ермолаев Г.А., Стебунов Ю.В., Воронов А.А., Арсенин А.В., Волков В.С., Новиков С.М. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy on Hybrid Graphene/Gold Substrates near the Percolation Threshold Nanomaterials, 10(1), 164 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10010164

5. Воронин К.В., Агирече Ю.А., Хилленбрандт Р., Волково В.С., Алонсо-Гонсалез П., Никитин А.Ю. Nanofocusing of acoustic graphene plasmon polaritons for enhancing mid-infrared molecular fingerprints Nanophotonics (год публикации - 2020)
10.1515/nanoph-2020-0164

6. Татаркин Д.Е., Якубовский Д.И., Комиссар Д.А., Стебунов Ю.В., Арсенин А.В., Волков В.С., Новиков С.М. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy on Ultrathin Gold/Graphene Substrates Near the Percolation Threshold AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)

7. Ермолаев Г.А., Стебунов Ю.В., Вишневый А.А., Татаркин Д.Е., Якубовский Д.И., Новиков С.М., Баранов Д.Г., Шегай Т., Никитин А.Ю., Арсенин А.В., Волков В.С. Broadband optical properties of monolayer and bulk MoS2 npj 2D Materials and Applications, 21 (год публикации - 2020)
10.1038/s41699-020-0155-x

8. Попок В.Н., Новиков С.М., Лебединский Ю.Ю., Маркеев А.М., Андреев А.А., Трункин И.Н., Арсенин А.В., Волков В.С. Gas-Aggregated Copper Nanoparticles with Long-term Plasmon Resonance Stability Plasmonics, 16, 333-340 (год публикации - 2021)
10.1007/s11468-020-01287-4

9. Баршутина М. Н., Волков В. С., Арсенин А. В., Якубовский Д. И., Мележик А. В., Блохин А. Н., Ткачев А. Г., Лопачев А. В., Кондрашев В. А. Biocompatible, electroconductive, and highly stretchable hybrid silicone composites based on few-layer graphene and cnts Nanomaterials, 2021, 11(5), 1143 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11051143

10. Корнилова А.В., Новиков С.М., Куралюбаева П.А., Йана С., Лысенко И.В., Шпичка А.И., Ставитская А.В., Горбачевский М.В., Новиков А.А., Икрамова С.Б., Тимашев П.С., Арсенин А.В., Волков В.С., Васильев А.Н., Тимощенко В.Ю. Halloysite nanotubes with immobilized plasmonic nanoparticles for biophotonic applications Applied Sciences (год публикации - 2021)

Публикации