«Сейчас, если мы создаем какие-либо наноструктуры, чаще всего они никак не изменяются. Например, если мы сделаем массив из наноцилиндров, в дальнейшем мы никак не сможем его переделать, он останется зафиксированным. А мы захотели создать динамическую наноструктуру, которая в зависимости от разных внешних воздействий может менять свой отклик и иметь несколько состояний. Таким образом мы можем менять свойства нашей системы в любой момент времени», — объяснила первый автор статьи и аспирантка третьего года обучения физического факультета Елена Герасимова.К тому же синтез разработанных наноструктур простой, быстрый и не требует дорогого оборудования для дополнительного воздействия, например, с помощью литографии. Чтобы создать такие материалы, исследователи физического факультета ИТМО используют химические методы. Еще одно преимущество разработки в том, что наноструктура может менять свое состояние неограниченное количество раз.
Дорожная карта проведенного исследования. A — схема синтеза микросфер pNIPAM (серый), модифицированных либо наночастицами кремния (желтый), либо наночастицами золота (красный) и кремния. B — иллюстрация фазового перехода pNIPAM. C — усиление второй оптической гармоники для pNIPAM, модифицированного кремниевыми наночастицам, и pNIPAM, модифицированного кремниевыми и золотыми наночастицами. Изображение предоставлено авторами исследования.
«Мы прибегли к хитрости и модифицировали поверхность частиц катионным полиэлектролитом PAH (полиаллиламина гидрохлорид), который позволил не только скомпенсировать отрицательный заряд поверхности кремния, но и придать полученным частицам положительный заряд», — рассказала она.Обе наноструктуры рассматривались как в сжатом, так и в увеличенном состоянии. Фазовый переход, который меняет состояние наноструктуры, также может регулировать ее оптические свойства, например ― генерацию второй оптической гармоники. Это процесс, при котором наноструктуру облучают светом на одной длине волны, а она излучает свет на вдвое меньшей длине волны. Другими словами, если направить на наноструктуру инфракрасный свет, она будет излучать зеленый свет за счет своих нелинейных свойств.
«Совмещение наночастиц с разными свойствами позволило нам увеличить эффективность генерации второй оптической гармоники. Когда наноструктура находится в сжатом состоянии, расстояние между наночастицами золота и кремния сокращается, и материал начинает светиться в 35 раз сильнее в сравнении с разжатым состоянием. У наноструктуры с наночастицами кремния показатель интенсивности увеличивается только в семь раз, так как нет свободных электронов, которые появляются при облучении в сочетании с золотом и могут изменить оптические свойства», — отметил младший научный сотрудник физического факультета Виталий Ярошенко.
«Мы хотели попробовать сделать наноструктуру, которая будет работать автоматически. Сейчас уже существуют материалы, способные менять генерацию второй оптической гармоники, но для них нужно заранее измерить вторую гармонику и вручную растянуть массив из наноструктуры. В зависимости от степени растяжения меняются и свойства второй гармоники. Но если процесс изменения материала будет происходить автоматически, это позволит нам внедрить его в более самостоятельные элементы системы, которые не требуют воздействия человека», — подчеркнула Елена Герасимова.В будущем ученым предстоит понять, как перенести наноструктуру в более подходящую среду. Дело в том, что полимер может сжиматься и разжиматься только в воде, поэтому исследования проводились в коллоидных растворах. Одно из возможных решений — это изменение способа синтеза полимера, чтобы он не высыхал на воздухе, а вырабатывал из него влагу, необходимую для изменения состояния.
