Оренбургский государственный университет

Исследование плазмонных свойств двухкомпонентных композитных наночастиц для определения ближнепольных оптических характеристик гибридных молекулярных систем

Проект № 233

Руководитель проекта: д-р физ.-мат. наук, профессор Кучеренко М.Г.

Исследовано влияние углеродных (фуллерены, нанотрубки) и металлических (Ni, Co, Fe, Cu, Ag) наночастиц на безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения между молекулами органических красителей (акридиновый оранжевый — донор и нильский синий — акцептор) в спиртовых растворах поливинилбутираля. Обнаружено влияние плазмонных наночастиц на безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения при определенных концентрациях компонентов смеси, выражающееся в увеличении интенсивности сенсибилизированной флуоресценции акцептора при одновременном тушении флуоресценции донора. Предложена простейшая модель процесса, иллюстрирующая наблюдаемое перераспределение интенсивностей свечения между спектральными полосами общего спектра. Экспериментально наблюдаемая зависимость интенсивностей донорной и акцепторной люминесценции от концентрации плазмонных наночастиц возникает вследствие изменения доли кластеров, содержащих (не содержащих) частицы-антенны, вызывающие эффекты локального поля. В данной работе расчеты плазмон-инициированной кинетики безызлучательного переноса энергии были выполнены в упрощающем предположении о размещении каждой из молекул донора и акцептора в окрестности наночастицы. В полупространстве конфигураций, отвечающих тупым углам, всегда наблюдалось плазмонное увеличение результирующей скорости межмолекулярного переноса энергии. Такой эффект ретрансляции энергии через плазмонного посредника является достаточно характерным, и на него указывают результаты наших предыдущих работ. Однако, несмотря на это, в числовом выражении скорость в диапазоне углов от 90 до 180 градусов на несколько порядков меньше этой скорости в полупространстве острых углов. Показано, что обнаруженная в результате проведенного моделирования высокая чувствительность скорости межмолекулярного переноса энергии к конфигурационным параметрам трехчастичного кластера "донор — акцептор — плазмонная наночастица" может служить методом идентификации относительного размещения молекул в окрестности частицы — рефлектора электромагнитного поля.

С той же целью выполнены молекулярно-динамические расчеты структуры нанокомпозитов, подтверждающие образование ассоциированных молекулярно-плазмонных комплесов, закрепленных макроцепными линкерами.

Впервые получены частотные зависимости действительной и мнимой частей дипольной поляризуемости сферического нанокомпозита с диэлектрической сердцевиной, а также инверсионной системы с проводящей сердцевиной и диэлектрическим покрытием для различных значений радиуса частиц, длины томас-фермиевского экранирования и постоянной затухания плазмонов с учетом вырожденности электронного газа сферической металлической нанооболочки (кора — в случае инверсионной системы). Определен набор резонансных частот плазмонного спектра нанокомпозита в случае свободных колебаний электронного газа металлического компонента системы.

Впервые получены частотные зависимости действительной и мнимой частей дипольной поляризуемости биметаллического сферического нанокомпозита для различных значений радиуса ядра и оболочки, длины томас-фермиевского экранирования и постоянной затухания плазмонов с учетом вырожденности электронного газа ядра и оболочки. На основе DFT-метода вычислены основные характеристики поляризуемости малых металлических наночастиц — атомарных кластеров (Au, Ag, Cu), содержащих до 50 атомов. Впервые определены частоты плазмонного резонанса и характеристики тензора дипольной динамической поляризуемости композитных сферических и сфероидальных наночастиц во внешнем постоянном магнитном поле. На основе ранее определенных индивидуальных поляризационных характеристик нанокомпозитов впервые вычислены аналогичные тензорные характеристики двухчастичных нанокластеров, составленных из однородных металлических наночастиц-сфероидов и частиц-нанокомпозитов.

Впервые вычислены индуцированные наноантеннами плазмонного резонанса добавки к скорости безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами органических люминофоров, размещенных вблизи нанокомпозита.