Квантовые точки. Источник: jqi.umd.edu

В Университете ИТМО будут изучать новые методы синтеза углеродных наноточек

Международный научно-образовательный центр физики наноструктур Университета ИТМО вместе с профессором Андреем Рогачем выиграл мегагрант правительства РФ, в рамках которого будет создана лаборатория «Светоизлучающие углеродные квантовые наноструктуры». В ней ученые будут исследовать новые методы синтеза углеродных точек, которые предполагается использовать в качестве элементов светодиодов, а также для биомедицинской сенсорики, то есть определения химических веществ в живых тканях. Новые экологически чистые структуры будут соответствовать трендам «зеленой» нанофотоники.

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.

Александр Баранов
Александр Баранов

«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.

Спектр излучения углеродных точек. Источник: mylcd.info
Спектр излучения углеродных точек. Источник: mylcd.info

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.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба