Плазмоника основана на том, чтобы возбудить синхронизированные колебания электронов проводимости в наночастицах (чаще всего золотых) при помощи света. Она может стать базой для разработки различных оптоэлектронных систем, но также новых видов терапии. Наночастицы можно ввести в раковую опухоль и облучить лазером — так они получат дополнительную энергию благодаря поверхностному плазмонному резонансу. Избыток энергии выйдет в виде тепла и сильно нагреет окружающие патогенные ткани, а также создаст высокое давление. В таких условиях клетки разрываются и погибают.
«Хотя на данный момент плазмонные эффекты хорошо изучены, у нас не так много данных о том, как влияет температура на плазмонные наночастицы, особенно в области размеров 5–10 нанометров, где методы классической электромагнитной теории не применимы из-за квантовых эффектов, а квантовые методы практически нельзя использовать из-за ограниченности вычислительных ресурсов. При нагревании наночастицы могут изменить форму, расплавиться, начать испаряться, и все это изменит их оптические свойства, а значит, и эффективность плазмонных процессов, важных для целого ряда приложений», — рассказывает Сергей Полютов, PhD биотехнологии, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета.
Ученые из Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ (Красноярск), Красноярского научного центра СО РАН (Красноярск), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск) вместе с иностранными коллегами смоделировали нагревание наночастиц золота до температуры плавления — 1064°С — и выше. В расчетах им помогла их собственная уникальная математическая модель, которая позволяет изучать наночастицы размером 5–15 нанометров.
Оказалось, что с увеличением температуры растет и амплитуда колебаний атомов, замедляясь лишь около точки плавления. Далее рост продолжается, и в конце концов металл переходит в газообразное состояние, а наночастицы претерпевают распад. Все начинается с поверхности, и по мере приближения к отметке в 1064°С процесс распространяется по всему объему.
Колебания атомов (их также называют фононами) еще до перехода металла в жидкое состояние приводят к исчезновению плазмонных свойств. Это обусловлено тем, что они взаимодействуют с электронами, свободно передвигающимися в кристаллической решетке, и тормозят их — электромагнитные волны также не могут распространяться и затухают.
«Описанные нами механизмы зачастую игнорируют, а ведь они способны кардинально изменить свойства плазмонных наночастиц. Особенно критично это в условиях, когда используется импульсный лазер с высокой интенсивностью излучения — он сообщает среде, содержащей наночастицы, большую энергию, но при этом сильно нагревает и сами наночастицы. Если мы сможем адаптировать температурные условия и свойства частиц, у нас получится эффективный способ противораковой терапии», — прокомментировал Сергей Карпов, доктор физико-математических наук, профессор СФУ, ведущий научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии.
«К слову, рассмотренные эффекты интересны не только для гипертермии раковых клеток, но важны для создания очень многих устройств оптоэлектроники, различных чувствительных сенсоров на плазмонных эффектах. Они сейчас могут быть востребованы и при разработке новых поколений микросхем для компьютеров», — подводит итог Валерий Герасимов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии.
