В 2011 году в НИЯУ МИФИ была создана лаборатория нано-биоинженерии под руководством профессора Игоря Набиева. Изначально основным направлением ее исследований было исследование фундаментальных взаимодействий на интерфейсе «нано/био» и применение различных нанообъектов, в частности квантовых точек, в решении задач биомедицинской диагностики. Другим направлением было взаимодействие квантовых точек а также и магнитных и металлических наночастиц, с биологическими объектами, например компонентами крови. Со временем спектр исследований стала расширяться, ученые занялись применением нанообъектов в электронике, в солнечных батареях, и светодиодах. В итоге из лаборатории вырос Научный центр наноинженерии фотонных материалов для биомедицины и оптоэлектроники (НАНО-ФОТОН), в состав которого теперь также входит международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов. О проводимых в ней исследованиях мы беседуем с руководителем лаборатории Павлом Самохваловым.
Интервью взято для рубрики "Голос науки"
Свет замедляет химические реакции… или ускоряет?
– Павел Сергеевич, какие важнейшие исследования проводятся в Вашей лаборатории в последнее время?
– Одним из последних интересных направлений наших исследований было изучение новой физики и химии, возникающих при взаимодействии света с веществом. Это не классический фотоэффект, это именно более глубокая физика в условиях сильного резонансного взаимодействия, когда свет изменяет энергетическую структуру вещества, в нем появляются новые энергетические уровни и новые оптические переходы. Отмечу, что примерно 5 лет назад появилось новое направление, так называемая поляритонная химия, исследующая течение химических реакций в условиях взаимодействия вещества со светом в режиме сильной связи, было несколько достаточно интересных работ, которые показали, что течение реакции в этих условиях может изменяться, и наша лаборатория, в частности, выиграла большой грант Российского Научного фонда по этому направлению. Но, к сожалению, до сих пор не удалось действительно ускорить химические реакции. Я со своими коллегами предполагал, что на этом пути можно будет увеличить «выход» химических реакций, но на практике у нас получается их селективно замедлять.
– Можно коротко объяснить, как свет замедляет реакцию?
– Понятного и простого объяснения до сих пор, к сожалению, нет. Было несколько теоретических работ, посвященных этому эффекту, и все они показывают, что реакции должны ускоряться. Но на практике, как и у многих научных групп, работающих в этом направлении, получается обратный эффект. Наверное, важно то, что химические реакции в основном обратимы, они идут и вперед, и назад одновременно, и в нашем случае может быть можно сказать, что реакция ускоряется, но в обратном направлении. Во время химической реакции обычно молекулы переходят в возбужденное состояние, и преодолевают активационный барьер, который мы и предполагали снизить посредством сильного взаимодействия со светом. Есть несколько механизмов, которые предполагают участие ансамблей молекул, которые находятся в состоянии сильной связи, то есть они становятся, по сути, неразличиными с точки зрения физики и химии. Впрочем, пока для этих эффектов не существует общей теории. Это одно из тех интересных направлений, которыми мы занимаемся. У нас много различных систем, где мы показали возможность реализации этого эффекта, это и классические органические красители , и гибридные системы на основе нескольких веществ. Нашими сотрудниками разработана достаточно уникальная установка, которая позволяет достигать этого состояния в очень маленьком объеме. В ней имеется два зеркала, одно из которых обладает кривизной, и эта система зеркал выполнена с высокой точностью и в крайне миниатюрных масштабах, благодаря чему мы можем очень локально исследовать влияние света на химические реакции. Это одно из наших главных достижений в этом проекте.
Что происходит между зеркалами
– Можно ли популярно объяснить, почему именно у резонирующего между параллельными зеркалами света, появляются такие дополнительные химические эффекты?
– Опять же, мы возвращаемся к вопросу конкретного объяснения механизма действия эффекта сильной связи на химические реакции. С точки зрения физики дело видимо в том, что в хорошем резонаторе многократно происходит обмен энергией между веществом и фотоном, при этом находясь в резонаторе, они фактически там закрываются от внешней среды. В этом случае потери энергии становятся очень маленькими. Происходит чередование возбуждения вещества и излучения, в результате локально у нас буквально «забиваются» все доступные энергетические уровни, и у нас появляются новые, «расширенные» энергетические состояния вещества. У нас было два одинаковых уровня у света и у вещества, а после взаимодействия появилось еще два уровня, один выше, другой ниже. Если бы мы смогли перевести систему на нижний уровень, у нас бы реакция ускорилась, но, к сожалению, пока такой эффект продемонстрировать не удалось ни нам, ни другим научным коллективам.
– Тогда в чем достоинство вашей уникальной установки, если не получилось это продемонстрировать?
Нам не удалось продемонстрировать ускоряющий эффект на химическую реакцию, а физические эффекты мы отлично продемонстрировали на многих объектах, в том числе таких, которые, раньше не были исследованы, и что особенно важно, наша установка позволяет это делать очень локально, в малом объеме. Раньше, грубо говоря, использовали плоское зеркало сантиметрового размера, и изучали весь объем вещества, помещаемый в этот резонатор. Но в нашем центре в качестве одного из зеркал используется линза, она, конечно, криволинейная, но на самом кончике ее она по сути тоже является плоской, и тут получается очень маленькая область локализации исследуемых эффектов, это достаточно интересно.
Павел Самохвалов
– Правильно ли я понял, что уникальность этой установки именно в тонком подборе параметров?
Во-первых, тонкий подбор параметров резонанса, во-вторых, локальность измерений, и в-третьих, мы все это можем очень легко перестраивать. Те установки, которые, судя по научной литературе, использовались до сих пор, представляли собой, обычно одно зеркало, потом какая-то прокладка из гибкого материала, и второе зеркало. В таких установках интервал между зеркалами, нужный для подстройки, во-первых, очень неточный, во-вторых, регулирование интервала между зеркалами связано с риском физического повреждения исследуемого объекта. Если мы, сближая два зеркала, «пережмем», то зеркала друг на друга сядут, а там идет речь о расстояниях меньше микрометра. А то, что сделано в нашем центре позволяет регулировать расстояние между зеркалами в очень больших пределах очень точно и таким образом очень точно подбирать условия резонанса.
Не забывать про оболочку
– Расскажите, пожалуйста, о тех исследованиях, в которых в первую очередь участвовали лично Вы
– В первую очередь это синтез различных наноматериалов. Это квантовые точки, перовскитные нанокристаллы, плазмонные и магнитные. Мой интерес больше лежит в области оптоэлектроники, это светодиоды, солнечные батареи. Плюс ко всему, у меня достаточно много работ по фундаментальным исследованиям, связанным с явлениями процесса переноса зарядов в квантовые точки. Наверное, самым важным результатом, который был получен в рамках именно моих проектов связан со свойствами квантовых точек.
– Можно напомнить, что это такое?
– По сути это кристаллический полупроводник, имеющий очень маленький размер, от 2 до 10 нанометров. Эти нанообъекты в ходе синтеза обычно получаются в виде коллоидного раствора, то есть это частички твердого неорганического вещества, покрытые оболочками из органических молекул, которые позволяют стабилизировать раствор. Эти органические вещества являются строго необходимыми, без них у вас все упадет в осадок, и никаких нанокристаллов, никаких квантовых точек не получится. Но долгое время, рассматривая практическое применение таких систем, например, в оптоэлектронике, не обращали внимание на эти слои органических молекул, которые покрывают нанокристаллы. Считалось, здесь главную роль играет структура только неорганической основы нанокристалла. Органика не то, чтобы совсем игнорировалась, но особого внимания ей не уделяли. А мы в своих работах показали, что этот слой очень важен.
– Почему?
– Он влияет на стабильность свойств материалов. Если у вас будет недостаток этого вещества, это может приводить к тушению люминесценции, а это между прочим основное свойство квантовых точек. Более того, во всех промежуточных процессах подготовки квантовых точек, а таких процессов очень много - мы эту точку очищаем от химических реагентов, мы её храним, много раз осаждаем, перерастворяем – так вот, вот во всех этих процессах состав оболочки может меняться, и часть молекул может теряться, и все это влияет на эффекты, которые мы наблюдаем на макроуровне, в частности на квантовый выход и цвет люминесценции.
И мы все эти процессы очень подробно изучали с помощью мощного лазерного излучения, и предложили объяснения механизмов, которые обуславливают изменение оптических свойств полупроводников. Также мы предложили методы как увеличить стабильность самих исходных материалов. Плюс ко всему мы изучили влияние слоёв органических молекул на эффективность светодиодов и солнечных батарей.
Да будет свет!
– У ваших исследований есть прикладное измерение?
– Ну вот, например, есть еще один интересный и важный результат нашей работы. Очень важная характеристика квантовых точек- квантовый выход флуоресценции, то есть отношение количества испускаемых фотонов к количеству поглощённых фотонов. Мы предложили методы синтеза квантовых точек, позволяющие получать их с воспроизводимыми характеристиками, с близким к ста процентам квантовым выходом. Мы сделали автоматизированную установку для синтеза, и предложили многокомпонентную структуру оболочки квантовых точек, которая и позволяет достигать рекордных характеристик.
– Важнейший положительный эффект от применения этих методов – то, что вы увеличиваете процент люминесценции квантовых точек?
– Во-первых, мы увеличиваем процент люминесценции, во-вторых, мы существенно поднимаем стабильность. Во время технического нанесения слоев квантовых точек, у нас характеристики не так сильно падают, как у других. Если мы делаем, например, светоизлучающий диод, на основе таких материалов, там очень важно, чтобы у вас была активная люминесценция. Но бывает фотолюминесценция, когда у нас фотон переизлучается, а бывает и электролюминесценция, когда у нас тот же самый фотон, возникает вследствие одновременного прихода электрона и дырки в одну квантовую точку. Если мы говорим о солнечных батареях, то нам важно, чтобы люминесценция была минимальная, но при этом максимальное было разделение. Здесь мы применяем другие, более короткие органические лиганды, которые позволяют повысить эффективность процесса разделения и переноса электрон-дырочных пар.
– То есть, при техническом использовании квантовых точек должна присутствовать и органическая оболочка с нужными характеристиками?
– Да, если мы хотим делать предсказуемые и контролируемые компоненты оптоэлектроники. Ведь нам, естественно, важно знать, с чем мы работаем. И разработанные в нашей лаборатории методы химического синтеза, позволяют управлять характеристиками квантовой точки, включая перенос заряда. Плюс ко всему, мы, можем контролировать состав органического вещества на поверхности самого нанокристалла.
– И вы как бы предлагаете оптимальной рецепт вещества для оболочки нанокристаллов?
– Скорее, не рецепт, а состав и методы изготовления.
Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ
