Ученые кафедры оптики и нанофотоники Института физики Казанского федерального университета совместно с исследователями из Королевского колледжа Лондона разработали оптический сенсор, позволяющий детектировать фазовые переходы в наноразмерных материалах с помощью термоплазмоники.

Научная работа проводилась в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование нового класса нанокомпозитной керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью для оптоплазмонных приложений», которым руководит профессор кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Сергей Харинцев.

«Под действием света в металлических наноструктурах могут возбуждаться коллективные колебания электронов, в результате этого электрическое поле в окрестности наноструктур сильно возрастает. Область физики, которая изучает эффекты генерации и распространения таких электромагнитных возбуждений, называется плазмоникой. К наиболее ярким ее достижениям можно отнести оптическую визуализацию одиночных молекул и диагностику их колебаний с пространственным разрешением 0,16 нм (например, размер молекулы воды составляет 0.3 нм), – рассказывает С.Харинцев. – На практике достижения плазмоники широко используются в разработках высокочувствительных биомедицинских сенсоров, в создании солнечных батарей нового поколения, в развитии элементной базы нанофотоники и оптоэлектроники, в частности создаются светофильтры, поляризаторы, модуляторы, волноводы и прочее».

Как объяснил физик, сильный разогрев наноструктур под действием света в условиях плазмонного резонанса лежит в основе ряда уникальных применений термоплазмоники в биологии и медицине. Так, например, на нем основаны методы фототермальной терапии рака. С помощью фотонагрева удалось создать термоплазмонный биосенсор с рекордной чувствительностью 0,22 пмоль/л для диагностики вируса SARS-CoV-2 (COVID-19), защитные маски многоразового использования, в которых наночастицы меди разогреваются под действием солнечного света до температур, при которых гибнут вирусы, содержащиеся в воздушно-капельной среде.

«Нами разработан оптический сенсор, который представляет собой метаповерхность, состоящую из упорядоченного массива металлических наноантенн из нитрида титана (TiN), каждая из которых в 500 раз меньше толщины человеческого волоса. Сканируя сфокусированным лазерным лучом по упорядоченным наноантеннам, можно последовательно их разогревать до заданной температуры (вплоть до нескольких сотен градусов) меньше чем за одну микросекунду. С помощью такого оптического сенсора нам удалось впервые определить локальную температуру стеклования полимера с пространственным разрешением 200 нанометров», – сообщил Сергей Сергеевич.

Научные результаты, полученные физиками КФУ совместно с коллегами из Лондона, представлены в статье, недавно опубликованной в высокорейтинговом журнале ACS Photonics.

«Хотелось бы обратить внимание биологов, химиков и физиков на то, что функциональные свойства созданного термоплазмонного сенсора выходят далеко за пределы упомянутого применения, – говорит Харинцев. – С помощью этого нанофотонного устройства можно исследовать, например, размерные эффекты в пространственно-ограниченных (в трех направлениях) 0D полимерах. Используя сенсор, можно детектировать температуру стеклования пространственно-неоднородных полимерных пленок, включая многокомпонентные полимерные смеси. Термоплазмонный оптический сенсор может быть использован для изучения структурных изменений и фазовых переходов, например, для определения локальной температуры кристаллизации (плавления) нанообъектов. Следует обратить внимание на возможности применения термоплазмонного сенсора при исследовании биологических реакций на одиночных клетках (например, при изучении денатурации индивидуальных белков)».

В ближайшем будущем, по словам ученого, термоплазмонный сенсор планируется использовать в технологиях ультрабыстрой калориметрии, которая активно развивается на кафедре физической химии Института химии КФУ.