Оренбургский государственный университет

Использование наноплазмонных свойств эндометаллофулеренов в оптоэлектронике и биологии

Руководитель проекта — к.ф.-м.н., с.н.с. Э.К. Алиджанов

Целью проекта является всестороннее исследование свойств наноразмерных комплексов, сформированных на основе эндометаллофуллеренов, изучение возможностей использования эндофуллереновых наноструктур для исследования структуры биологически важных макромолекул, разработки методов повышения эффективности оптоэлектронных устройств "пластиковой" электроники.

Для его реализации предполагается выполнить разработку принципов и технологии получения эндофуллереновых наноструктур заданной архитектуры. Провести всестороннее изучение физико-химических свойств сформированных эндофуллереновых наноструктур (морфология, электронная структура, фотофизические свойства, фотохимическая устойчивость). Изучить возможности использования эндофуллереновых наноструктур для исследования биополимеров и других биологических структур с использованием модельных объектов (ЭМФ + полимер, ЭМФ + ДНК). Разработать рекомендации по использованию ЭМФ наноструктур в качестве зондов при исследовании биообъектов, в качестве допантов, улучшающих рабочие характеристики устройств оптоэлектроники.

Эндометаллофуллерены (ЭМФ), наряду с простыми фуллеренами, представляют собой новый класс перспективных для практического использования наноматериалов, которые начинают активно использоваться в медицине (антиоксиданты, препараты для фотодинамической терапии, ЯМР и рентгеновской томографии), а также в "пластиковой" электронике для допирования органических полупроводниковых систем. Их свойства остаются малоизученными, и в настоящее время они выделились в отдельную область научных исследований. Известно, что эндометаллофуллерены легко образуют агрегаты из нескольких молекул, как в растворах, так и на поверхности твердого тела. Нами обнаружено, что за счет такой агрегации растворы ЭМФ приобретают нелинейные оптические свойства. В них наблюдаются явления гигантского (107) усиления комбинационного рассеяния (ГКР) и повышения эффективности процессов люминесценции.

Механизм ГКР связан с резонансным возбуждением в наночастицах поверхностных плазмонов (колебаний плотности электронов проводимости). Однако, наночастицы ЭМФ образуются за счет слабых межмолекулярных вандерваальсовых взаимодействий и не обладают системой делокализованных электронов проводимости. В случае ЭМФ мы можем говорить о возбуждении метаплазмонов. Особо следует отметить, что эффект ГКР в растворах ЭМФ наблюдался нами только в случае анионного состояния молекул ЭМФ. Предположительно, противоионом при этом могут служить молекулы донорного типа (в частности, простые фуллерены, небольшое количество которых обычно присутствует в образцах ЭМФ). Следовательно, в случае ЭМФ эффект ГКР наблюдается на наноразмерных комплексах с переносом заряда. Механизм самоорганизации ЭМФ в наночастицы, их структурные особенности, способность электронного обмена с окружением с образованием КПЗ, а также их фотофизические свойства практически не изучены. При этом нелинейные оптические свойства наноструктур на основе ЭМФ имеют широкие перспективы практического использования:

• реализация оптического мониторинга биологических объектов;
• повышение эффективности органических полупроводниковых оптоэлектронных устройств;
• формирование структур с фотонными зонами;
• создание устройств наноплазмоники.

Развитие современных технологий создания наноразмерных объектов (кластеров, наночастиц, нанопроволок и т. д.) послужило толчком к началу быстрого развития такой области нанотехнологий и нанооптики как наноплазмоника. Наноплазмоника изучает явления, связанные с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами, с целью создания различных оптических наноустройств.

Важнейшая черта явлений в наноплазмонике — это сочетание малой пространственной локализации электронных колебаний с их высокой частотой (от ультрафиолетового диапазона до инфракрасного). Это приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических полей. Свойства локализованных в наноструктурах плазмонов критически зависят от формы и размеров наночастиц. Это может позволить "настраивать" систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (единичными атомами, молекулами, квантовыми точками и др.).

Наличие гигантских локальных электромагнитных полей в приповерхностной области плазмонных наночастиц, например, дает возможность реализации прямых методов определения структуры молекулы ДНК без прикрепления к ней маркеров. Используя сложную структуру спектров плазмонных наночастиц, можно одновременно усиливать как поглощение, так и испускание света наночастицами и, таким образом, создавать эффективные флюорофоры и наноразмерные источники света. Основываясь на физике плазмонных наночастиц, можно разрабатывать способы существенного увеличения эффективнности органических солнечных батарей (Solar Cells) и светоизлучающих диодов (OLED). К настоящему времени в основном сформированы теоретические основы наноплазмоники. Экспериментальная реализация идей находится на начальной стадии. Идет активный поиск новых материалов, на которых можно реализовать элементы нанооптики. Исследования явлений оптического плазменного резонанса на новых наноматериалах — эндометаллофуллеренах — актуально как с точки зрения развития фундаментальных знаний, так и с точки зрения прикладной науки. Молекулы ЭМФ, в отличие от кластеров серебра, инертны по отношению к кислороду. Электронные свойства ЭМФ-нанокластеров можно варировать путем инкапсулирования в углеродную оболочку различных атомов. ЭМФ-нанокластеры приобретают свойства наноплазмонных частиц только после формирования КПЗ, следовательно, появляется принципиальная возможность управления (включения и выключения) наноустройством, сформированном на основе ЭМФ.

Для создания устройств наноплазмоники необходимо иметь наночастицы с определенными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, значения которых и обуславливают наличие наноплазмонных эффектов и гигантских локальных полей. Средствами коллоидной химии делаются попытки синтезировать композитные наноструктуры, обладающие требуемыми характеристиками. На наш взгляд, такими самособирающимися композитными наночастицами являются эндометаллофуллерены. На сегодняшний день существуют технологии инкапсулирования в углеродную оболочку почти всей таблицы Менделеева.

При изучении макроскопических образцов эндометаллофуллеренов в различных средах и окружениях обнаружены новые свойства, присущие кластерам этих молекул. Обнаружено: склонность эндофуллеренов к ассоциации с образованием нанокластеров; явление гигантского комбинационного рассеяния в растворах, содержащих такие нанокластеры; изменение люминесцентных свойств органических полупроводников в присутствии кластеров ЭМФ. Эти предварительные, но твердо установленные экспериментальные результаты требуют продолжения исследований и поиска возможных практических применений наноплазмонных кластеров эндометаллофуллеренов.