Физики из МФТИ с коллегами синтезировали сферические наночастицы диселенида вольфрама (WSe2) с помощью фемтосекундной лазерной абляции в воде. Анализ полученных частиц показал их высокий потенциал для биомедицинских и оптических приложений. Результаты опубликованы в журнале Nanomaterials.
Ван-дер-ваальсовые материалы — это целое семейство слоистых кристаллов, исследования которых носят широкий междисциплинарный характер. Их особенностью является то, что двумерные молекулярные слои скреплены в объемном кристалле не химическими связями, а слабыми силами электромагнитной природы (ван-дер-ваальсовыми силами), благодаря чему материал обладает сильно выраженными анизотропными, то есть зависящими от направления, оптическими и электронными свойствами. Начиная с 2004 года, когда выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов впервые продемонстрировали монослой графена, к данному моменту стали известны тысячи других ван-дер-ваальсовых материалов. Среди ван-дер-ваальсовых материалов встречаются как металлы, так и диэлектрики, и полупроводники. Диселенид вольфрама (WSe2) — это ван-дер-ваальсовый полупроводник, обладающий уникальными оптическими свойствами: сильным поглощением в окне прозрачности биологических тканей и высоким показателем преломления. Эти характеристики делают его привлекательным для применения в электронике, оптике и медицине.
Для биомедицинских применений и создания оптических нанорезонаторов предпочтительны сферические наночастицы. Однако сама структура ван-дер-ваальсовых материалов не дает получить наносферы. Исходные кристаллы легко ломаются вдоль кристаллографических направлений, порождая микропластинки с острыми краями вместо сферических наночастиц. Чтобы обойти эти структурные ограничения и перевести планарную геометрию в сферическую, физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ применили фемтосекундную лазерную абляцию. Это высокоточный метод обработки поверхности с помощью ультракоротких лазерных импульсов, длительность которых меньше триллионных долей секунды.
«В процессе абляции высокоинтенсивные ультракороткие лазерные импульсы мгновенно “испаряют” участок кристаллической мишени (в нашем случае WSe2). Затем в течение наносекунд плазма конденсируется в наночастицы WSe2, которые сразу попадают в растворитель (деионизованную воду). Механической и температурной деградации мишени удается избежать благодаря ультракоротким длительностям импульсов. Синтез не требует особых условий окружающей среды и допускает множество способов масштабирования», — рассказал Дмитрий Дюбо, аспирант лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.
Рисунок 1. а) Кристаллическая структура диселенида вольфрама WSe2; б) Иллюстрация процесса фемтосекундной лазерной абляции кристалла в деионизованной воде. Источник: журнал Nanomaterials
Полученные наночастицы диселенида вольфрама имеют диаметры от 10 до 150 нанометров, что идеально подходит для проникновения под мембраны клеток. Более того, кристаллические частицы наследуют уникальные оптические свойства исходного материала, что вкупе с эффектом формы интересно для применений в нанооптике. Нахождение частиц в коллоидном растворе позволяет легко переносить их на любые подложки, что дополнительно расширяет спектр возможного использования. Исследователи продемонстрировали это, создав на основе наночастиц подложки для гигантского комбинационного рассеяния.
Рисунок 2. а) Наклонный снимок синтезированных наночастиц WSe2 в сканирующем электронном микроскопе, подтверждающий их сферическую форму; б) снимок отдельной наночастицы WSe2 в просвечивающем электронном микроскопе, на котором можно различить атомарные плоскости ее поликристаллической структуры. Источник: журнал Nanomaterials.
Кроме того, эксперименты показали, что под действием света частицы нагреваются в четыре раза эффективнее по сравнению с исходным кристаллом, а также кремниевыми наночастицами сходного размера. Оказалось, что их сферическая форма работает как нанорезонатор, который многократно переотражает свет и переводит его в тепло. А воздушное пространство между частицами работает как теплоизолятор и препятствует тепловой диффузии.
Использование наночастиц диселенида вольфрама в тераностике (терапии и диагностики) и посткремниевой нанофотонике имеет большую перспективу. Кроме того, метод фемтосекундной лазерной абляции сочетает простоту в использовании и высокую производительность, что делает эту технологию привлекательной для использования.
«Фототермические наночастицы — это одно из важнейших приложений для биологии и медицины, и мы планируем расширять список доступных материалов в этой области, адаптируя к ним метод фемтосекундной абляции. Интересным продолжением работы видится улучшенное разделение наночастиц по размерам для более тонкой настройки фототермического отклика, а также дальнейшее повышение эффективности при помощи уже не однородных, а гибридных наночастиц», — поделился Андрей Ушков, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.
____________________
В работе участвовали ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Объединенного института ядерных исследований, XPANCEO (ОАЭ), НИЯУ МИФИ, СПбГУ, СПбАУ, Ереванского Государственного университета, Университета Экс-Марсель (Франция).
