Наноматериал на основе кремния и золота, который почти полностью поглощает свет и затем преобразует его в тепло, синтезировали российские ученые совместно с зарубежными коллегами. Использовать его можно в качестве нанотермометра. Более того, полученные авторами пленки в виде россыпи наночастиц имеют уникальный «узор» на поверхности – это позволит создавать защитные оптические метки для борьбы с контрафактной продукцией. Результаты исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Фото: пресс-служба ИАПУ ДВО РАН
Ранее исследователи Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (ИАПУ ДВО РАН) и Института химии ДВО РАН совместно с коллегами из Испании и Японии разработали и протестировали метод лазерной абляции, с помощью которого в рамках нового исследования был создан наноматериал. Сначала авторы получили кремниевые микросферы, освещая лазером пластины этого кристалла, помещенные в органический растворитель. Затем к полученному раствору добавили ионы золота и провели повторное облучение лазерными импульсами. В результате поверхность кремниевых микросфер «обросла» золотыми нанокластерами, которые постепенно внедрились в структуру частиц.
Эксперименты показали, что полученные гибридные частицы поглощают до 96% солнечного излучения, преобразуя его в тепло. При этом образцы материала при освещении лазером нагревались до 300°C. Это свойство позволит использовать их в солнечных опреснителях, поскольку наноматериал при освещении будет эффективно нагревать морскую воду, которая, испаряясь, станет конденсироваться в виде капель чистой питьевой воды. Кроме того, ученые выяснили, что при оседании на поверхность присутствующих в растворе молекул кремниево-золотых наносфер – их оптические свойства сильно изменяются. Таким образом, отдельные гибридные частицы можно применять в качестве детекторов различных химических веществ, например опасных газов и лекарственных препаратов.
После этого ученые получили несколько образцов материала в виде пленок, нанеся раствор из гибридных частиц на гладкое стекло. В результате каждая пленка имела уникальную структуру поверхности, поскольку наносферы всегда оседали на подложку произвольно и неконтролируемо. Случайная агломерация частиц позволила создать неповторимые картины оптических сигналов, которые можно записать и использовать в дальнейшем в качестве защитных меток.
«Кодирующая способность таких оптических меток составляет 10 в степени 3000, то есть именно такое количество попыток потребуется злоумышленнику, чтобы случайным образом повторить какую-либо метку. Это и делает ее физически некопируемой», – рассказал руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник института Станислав Гурбатов.
В свою очередь, соавтор исследования, аспирант и инженер Владислав Пузиков отметил простую технологию синтеза. Количество полученного наноматериала достигает нескольких грамм в час – это делает разработку коммерчески привлекательной для наносенсорики, преобразования солнечной энергии и антиконтрафактной маркировки. «В дальнейшем мы планируем более подробно исследовать оптические свойства получаемых наночастиц в зависимости от исходных концентраций компонентов и типа растворителя», – сообщил он.
Фото: пресс-служба ИАПУ ДВО РАН
Эффекты рассеивания, поглощения и отражения света наночастицами в различных материалах, таких как кремний и керамика, используются в высокоточных датчиках и сенсорах, а также устройствах хранения информации. В последние годы особый интерес вызывают гибридные материалы, которые сочетают в себе наночастицы металла и неметалла, например золота и кремния, поскольку при их взаимодействии возникают особые оптические эффекты, которых не имеет каждый компонент в отдельности. Среди них, например, способность эффективно преобразовывать свет в тепло.
Существующие технологии, позволяющие на наномасштабном уровне соединить кремний и золото, довольно трудоемкие и дорогие, поскольку включают множество последовательных этапов. При этом они позволяют получать нужный гибридный материал лишь в микроколичествах. В связи с этим большую актуальность представляет простой и легко масштабируемый метод синтеза гибридных наноматериалов.
