Физики получили новую структурную форму наноуглерода

11:02, 6 октября 2023

Ученым удалось создать необычные квантовые точки с 0D-, 2D- и 3D-свойствами

Необычные двумерные алмазоподобные углеродные наноточки получены из нанотрубок углерода. Иллюстрация: Данил Бухвалов.

Физики из России и Китая получили необычные квантовые точки. Ученым удалось фактически совместить несовместимое: наночастицы углерода с трехмерной тетраэдрической связью (как в алмазе), которые имеют плоскую 2D-структуру. Открытие поможет создавать наноматериалы нового типа (для сенсоров, датчиков, информационных систем). Описание новых наноточек (состав, электронные состояния, фотонные характеристики) исследователи опубликовали в журнале Royal Society of Chemistry британского королевского общества по химии. Работу поддержал Российский научный фонд (проект № 21-12-00392).

«Научная новизна и суть работы состоят в том, что, используя исходный материал двух типов — однослойные и многослойные нанотрубки из графена — и технологию лазерной абляции (дробление материала под действием лазерного излучения), мы получили наночастицы углерода с трехмерной связью, как в алмазе. При этом точки имеют плоскую 2D-структуру. Это крайне необычный эффект, совершенно иной характер связи по сравнению с подобными наночастицами на основе графена», — рассказывает соавтор работы, руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ Анатолий Зацепин.

Обычные 2D-структуры имеют один слой атомов углерода. В случае новых точек получилось несколько слоев, обеспечивающих решетку алмаза. Благодаря этому можно совмещать положительные свойства как 2D-структур, 0D-структур (сами квантовые точки), так и алмазоподобных 3D-структур. Получается совмещение в одном объекте свойств трех различных размерностей, утверждают ученые.

Новые наноточки можно использовать для получения углеродных наноматериалов нового типа, для изготовления электронных, фотонных, оптических, комбинированных оптоэлектронных компонентов, устройств, датчиков, сенсоров, в информационных системах, а также в биологии и медицине.

«Полученные нами квантовые точки обеспечат ускорение обработки большого массива данных, высокоскоростное управление измерительными приборами и техническими устройствами. Особую актуальность это имеет для космической техники, в квантовых технологиях, при разработке датчиков и сенсорных устройств, в биомедицине», — добавляет Анатолий Зацепин.

Как поясняют ученые, квантовые точки обладают хорошей совместимостью с биологическими тканями человеческого организма, поэтому могут быть использованы и для диагностики и терапии различных заболеваний, в том числе как маркеры и биосенсоры при обнаружении и визуализации раковых опухолей. Их можно вводить в организм человека в виде суспензий, доставлять до больного органа и осуществлять процесс лечения методом фотонной терапии.

Новые точки проверили различными методами: рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией, спектроскопией комбинационного рассеяния, электронной микроскопией, а также методами оптической и люминесцентной спектроскопии на оборудовании Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ.

«Из двух типов нанотрубок были созданы два типа алмазоподобных наночастиц, отличающихся электронной структурой и фотонными свойствами. В частности, оказалось, что их люминесценция может варьироваться от ультрафиолета до ближнего инфракрасного спектрального диапазона, имея все промежуточные значения. Иными словами, мы можем настраивать спектр излучения данных квантовых точек в очень широком диапазоне. Регулируется это с помощью размера наночастиц, который в свою очередь управляется режимами лазерной абляции», — поясняет соавтор исследований, старший научный сотрудник УЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ Виктория Пряхина.

В планах сотрудников лаборатории развивать направление, варьируя режимы лазерной абляции. Цель — получить функциональные метаматериалы с новыми углеродными квантовыми точками. Работу продолжат на оборудовании, закупленном под эти цели (на средства по программе «Приоритет-2030»): мощный технологический лазер, новые спектрометры, позволяющие исследовать дальнюю ИК область (это важно, к примеру, для биомедицинских применений).

Справка

Углерод является одним из главных компонентов биологических тканей, участвует в образовании органической жизни. Поэтому серьезным шагом вперед является получение активных частиц с управляемыми и регулируемыми свойствами, которые обладают перспективой и значимостью практического применения в различных областях: фотоника, оптоэлектроника, сенсорика, квантовая информатика, биомедицина и др.

Последнее время исследования по физике и химии активно развиваются в этом направлении. Так, за последние десятилетия несколько Нобелевских премий присудили за различные формы углеродных структур. Это фуллерены (одна из форм чистого углерода, в котором атомы соединены между собой в кристаллическую решетку, напоминающую по форме футбольный мяч), нанотрубки, графен (двумерная углеродная структура, в которой атомы выстроены в вершины правильных шестиугольников). В 2023 году Нобелевскую премию по химии присудили за открытие и исследование квантовых точек.

Анна Маринович