Динамическую наноструктуру, которая меняет свои оптические свойства под внешним воздействием, разработали сотрудники Инженерно-физического факультета Университета ИТМО, сообщает 13 октября пресс-служба вуза.

Основой наноструктуры служит полимер, способный сжиматься и разжиматься в зависимости от температуры. Ученые ИТМО доказали, что наноструктуры такого полимера с наночастицами кремния усиливают свет в семь раз, а добавка наночастиц золота повышает этот результат до 35 раз.

Результаты исследования созданной наноструктуры ученые представили в статье «Термоиндуцированное механическое переключение генерации второй гармоники в резонансных наночастицах Au и Si, связанных с гидрогелями pNIPAM», опубликованной в журнале Advanced Optical Materials.

Изменять форму полимер может неограниченное количество раз, что позволяет рассматривать такие материалы в качестве потенциальных для разработки интеллектуальных автоматических термочувствительных детекторов, а также других роботизированных устройств.

Сферы использования оптических систем, которые изменяют свои свойства под действием внешних факторов, достаточно широки: от систем обработки изображений до интеллектуальных регулируемых датчиков. В настоящее время наибольший интерес представляют микро- и наноразмерные системы.

Первый автор статьи, аспирантка физфака Елена Герасимова поясняет: «Сейчас, если мы создаем какие-либо наноструктуры, чаще всего они никак не изменяются. Например, если мы сделаем массив из наноцилиндров, в дальнейшем мы никак не сможем его переделать, он останется зафиксированным. А мы захотели создать динамическую наноструктуру, которая в зависимости от разных внешних воздействий может менять свой отклик и иметь несколько состояний. Таким образом мы можем менять свойства нашей системы в любой момент времени».

Синтез разработанных наноструктур прост, быстр и не требует дорогого оборудования для дополнительного воздействия. Для их создания исследователи используют химические методы.

Основу наноструктуры составляют синтезированные гидрогелевые сферические частицы из поли (N-изопропилакриламида) (pNIPAM), который представляет собой один из наиболее изученных и часто используемый в исследованиях термочувствительных полимеров.

Его полимерные частицы гидрофильны, то есть впитывают воду при комнатной температуре, увеличиваясь в объеме. При повышении температуры до +33 °C у полимера происходит объемный фазовый переход, и он становится гидрофобным, вытесняя из себя воду и вдвое уменьшаясь в объеме.

Поверхность этого полимера ученые модифицировали наночастицами — сначала только кремния, а потом сочетанием наночастиц кремния и золота. Кремний является диэлектриком с высоким показателем преломления света, золото же — плазмонный материал, обладающий отрицательной диэлектрической проницаемостью. В совокупности они усиливают электромагнитное поле и, соответственно, оптические свойства наноструктуры.

Проблемой для исследователей стала задача объединить наноструктуру полимера с наночастицами кремния, при том что у них одинаковый отрицательный заряд. Как она была решена, рассказала еще один автор статьи, аспирантка физфака Лидия Михайлова:

«Мы прибегли к хитрости и модифицировали поверхность частиц катионным полиэлектролитом PAH (полиаллиламина гидрохлорид), который позволил не только скомпенсировать отрицательный заряд поверхности кремния, но и придать полученным частицам положительный заряд».

Фазовый переход, который меняет состояние наноструктуры при нагревании, может регулировать ее оптические свойства, в том числе генерацию второй оптической гармоники. Это происходит за счет того, что при облучении наноструктуры светом одной длины волны, она излучает свет на вдвое меньшей длине волны.

То есть, если направить на наноструктуру инфракрасный свет, она за счет своих нелинейных свойств будет излучать зеленый свет.

«Совмещение наночастиц с разными свойствами позволило нам увеличить эффективность генерации второй оптической гармоники. Когда наноструктура находится в сжатом состоянии, расстояние между наночастицами золота и кремния сокращается, и материал начинает светиться в 35 раз сильнее в сравнении с разжатым состоянием», — рассказал младший научный сотрудник физфака Виталий Ярошенко.

У наноструктуры только с наночастицами кремния усиление происходит только в семь раз из-за того, что нет свободных электронов, которые появляются при облучении в присутствии золота и могут изменить оптические свойства.

Разработанные исследователями ИТМО наноструктуры с улучшенными свойствами генерации второй оптической гармоники можно будет использовать в нанофотонных устройствах оптических систем нано- и микромасштаба — интеллектуальных автоматических термочувствительных детекторах, роботизированных устройствах, перестраиваемых оптических метаповерхностях и других схемах, где механические изменения в полимерах можно вызвать с помощью внешних воздействий.

Следующим этапом своих исследований ученые ставят задачу переноса наноструктуры в другую среду. Сейчас полимер сжимается и разжимается только в воде, поэтому исследования проводились в коллоидных растворах.

Одним из возможных решений этой проблемы исследователи видят изменение способа синтеза полимера, чтобы он сам забирал из воздуха влагу, необходимую для изменения его состояния.