Эпоха двумерных материалов началась с графена — идеально упорядоченной углеродной решетки толщиной 1 атом, за исследование которого выпускники Физтеха Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию. С тех пор наука стремилась к абсолютному структурному совершенству наноматериалов.
Однако исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ выбрали другой путь. Разрушив кристаллическую решетку диселенида палладия ультракороткими лазерными импульсами, ученые получили аморфный наноматериал с нетипичными свойствами. Его эффективность в фотокатализе выше аналогов в 50 раз, эффективность преобразования света в тепло достигает 83%, а коэффициент усиления сигнала при использовании в качестве оптического биосенсора превышает миллионные значения.
Разработка закладывает фундамент для новых рынков палладиевой промышленности. Работа опубликована в журнале Advanced Materials Interfaces. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект №24-79-00144).
В современном материаловедении десятилетиями действует правило: чем совершеннее атомная решетка, тем лучше и предсказуемее свойства вещества. Ученые тратят годы на оттачивание методов синтеза, чтобы избавиться от малейших структурных изъянов. Но исследование, проведенное сотрудниками Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с консорциумом партнеров — НИЯУ МИФИ, Объединенным институтом ядерных исследований (Дубна), СПбГУ, Алферовским университетом, Пермским Политехом и рядом зарубежных центров, доказало эффективность противоположного подхода.
Физики показали, что целенаправленное создание атомного хаоса способно наделить вещество функциональностью, недоступной идеальным кристаллам. Эта работа имеет не только фундаментальное, но и огромное макроэкономическое значение. Около 80% всего добываемого в мире палладия (почти 40% мировых поставок которого обеспечивает российский «Норникель») расходуется на производство автомобильных катализаторов выхлопных газов.
С глобальным переходом автопрома на электромобили рынок сбыта катализаторов неумолимо сокращается. Добывающей отрасли и профильным структурам, таким как Центр палладиевых технологий, критически необходимы новые наукоемкие ниши. Технология, разработанная российскими учеными, предлагает готовый маршрут конвертации сырьевого палладия в высокомаржинальные продукты для умной оптики, «зеленой» химии и таргетной медицины.
Анатомия искусственного несовершенства
Объектом исследования ученых стал диселенид палладия (PdSe2) — слоистый двумерный кристалл. В своем естественном состоянии он стабилен, но химически довольно инертен: на поверхности его правильной решетки крайне мало активных центров для взаимодействия с внешней средой.
Чтобы вывести материал из «спячки», физики применили метод фемтосекундной лазерной абляции. Кристалл поместили в деионизированную воду и облучили сверхкороткими лазерными импульсами длительностью 270 квадриллионных доли секунды.
В точке фокусировки луча локальная температура мгновенно достигает тысяч градусов — вещество переходит в состояние плотной плазмы. Поскольку температура кипения селена значительно ниже, чем у палладия, часть его атомов испаряется быстрее. В следующее мгновение, при контакте с водой, плазма охлаждается с колоссальной скоростью — порядка триллиона градусов в секунду (1012 К/с).
Из-за экстремального термического «шока» атомы не успевают выстроиться обратно в упорядоченную структуру. Формируются наночастицы с кинетически замороженной аморфной фазой (PdSe2–x), поверхность которых буквально пронизана дефектами — вакансиями селена и разорванными связями. Именно эти координационно-ненасыщенные центры превратили наночастицы в мощные электронные ловушки и химические магниты.
Три метрики в одном материале
Сравнив полученные аморфные наночастицы с их кристаллическими предшественниками, исследователи зафиксировали кратный рост характеристик сразу по трем направлениям.
1. Бесплазмонная молекулярная сенсорика. Метод гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР, SERS) позволяет оптически детектировать вещества вплоть до единичных молекул. Обычно для этого требуются дорогие наноструктуры из золота. Аморфные наночастицы палладия за счет сильного переноса заряда на дефектных центрах обеспечили усиление сигнала более чем в миллион раз. Это позволяет надежно фиксировать токсины или биомаркеры заболеваний в концентрации до одной миллиардной доли моля (10–9 М).
2. «Зеленый» фотокатализ. В экспериментах по очистке воды от сложных органических загрязнителей новые частицы продемонстрировали удельную каталитическую активность, в 50 раз превышающую показатели идеальных кристаллических образцов равной массы. Дефекты структуры позволили материалу сильнее поглощать свет видимого диапазона и стремительно передавать электроны органическим молекулам, разрушая их за считанные минуты.
3. Снайперская наномедицина. Размер синтезированных частиц (10–50 нанометров) оптимален для накопления в опухолевых тканях. При облучении ближним инфракрасным светом (830 нм — окно прозрачности биологических тканей) наночастицы преобразуют свет в тепло с исключительной эффективностью 83%. По этому показателю палладиевые агенты вдвое превзошли классические золотые наночастицы (41%), встав в один ряд с лучшими мировыми разработками для таргетной фототермической терапии рака.
«Открытие графена выпускниками Физтеха задало высочайшую планку в исследовании идеальных 2D-материалов. Однако в этой работе мы пошли от обратного и доказали, что управляемый хаос и структурные дефекты — мощнейший ресурс для кратного улучшения физико-химических свойств,— прокомментировал Андрей Ушков, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
— Принципиально важно, что наша технология фемтосекундного лазерного синтеза имеет отличный потенциал масштабируемости: процесс проходит в один этап, в обычной воде, при комнатной температуре и не требует химических реагентов. Сегодня мы технологически готовы к прямому аппаратному масштабированию производства этого уникального наноматериала с использованием промышленных проточных реакторов непрерывного действия.
Наш центр полностью открыт к проведению совместных прикладных НИОКР с индустриальными партнерами из добывающего сектора. Мы готовы адаптировать фундаментальные разработки под их конкретные инженерные задачи, чтобы помочь превратить отечественное палладиевое сырье в высокомаржинальные продукты для новых мировых рынков».
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект №24-79-00144).
Научная статья: A. Ushkov, N. Belozerova, D. Dyubo, et al.Laser-Synthesized Amorphous PdSe2–x Nanoparticles: A Defect-Rich Platform for High-Efficiency SERS, Photocatalysis, and Photothermal Conversion. Advanced Materials Interfaces, 2026. https://doi.org/10.1002/admi.202500902
