В СФУ узнали, как «научить» наночастицы самим собираться в нужные структуры

Расчет среднего времени, затрачиваемого на установление ориентационного равновесия пар наночастиц в переменном поле, который в дальнейшем поможет создавать новые наноматериалы с заданными свойствами, выполнили ученые Сибирского федерального университета (СФУ) и Института вычислительного моделирования СО РАН, 29 ноября сообщает пресс-служба СФУ.

Элементы и устройства на основе наноструктур с управляемыми свойствами, состоящие из квантовых точек, в последнее время стали предметом активных разработок и исследований. Отсюда вытекает необходимость создания экономичного способа их производства.

Наноструктуры и наноматериалы, изготовленные на основе таких наноструктур, сейчас применяются в качестве защитных и светопоглощающих покрытий, а также при изготовлении лекарств и медицинской аппаратуры, топливных элементов, материалов для упаковки пищевых продуктов, косметики и одежды.

При создании наноструктур основой процесса может быть выбрана самоорганизация наночастиц, которая достигается применением химических или физических принципов.

При этом универсальным методом формирования наноструктур со специфическими свойствами для применения в нанофотонике и сенсорике может стать самосборка наночастиц под воздействием лазерного поля.

Самоорганизация различных частиц широко распространена в природе. На ее основе воспроизводятся очень сложные функциональные структуры. Самосборка же служит типичным методом формирования наноструктур (наноматериалов).

При этом для запуска и поддерживания процесса самосборки необходимо целенаправленное физическое воздействие, задающее такие свойства отдельных частиц, чтобы они самоорганизовывались в желаемую структуру. Таким воздействием может быть лазерное излучение.

Контролируя физическое воздействие, в данном случае излучение лазера, можно получать сверхминиатюрные устройства, свойства которых задаются в процессе роста.

Сибирские ученые разработали универсальный метод формирования наноструктур за счет самоорганизации наночастиц под действием создаваемого лазером внешнего квазирезонансного поля.

Результаты предварительного исследования ученые представили в статье «Математическая модель ориентации пары квантовых точек в поле лазерного излучения», опубликованной в журнале «Компьютерная оптика», 2022, том 46, № 4.

Соавтор статьи, научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Алексей Ципотан рассказал:

«Сама возможность запускать процесс управляемой светом самосборки наноструктур заданной формы и состава представляет огромный интерес и для фундаментальной науки, и для ряда практических приложений. Нам удалось ранее экспериментально реализовать этот метод на примере самосборки пары квазирезонансных квантовых точек. Сейчас мы развиваем этот метод, чтобы добиться управляемого формирования более сложных структур из металлических и полупроводниковых частиц».

Заданная структура формируется наиболее эффективно при поэтапной сборке — по принципу «снизу-вверх», когда к уже собранной ранее структуре в нужное место добавляется нужная частица.

Такой метод требует, чтобы формируемая структура была определенным образом сориентирована и зафиксирована в таком положении, чего можно добиться с помощью дополнительного лазерного излучения. В этом случае необходимо знать время, затрачиваемое для установления ориентационного равновесия предварительно сформированной пары наночастиц.

Воздействие внешнего поля квазирезонансного лазерного излучения приводит к тому, что структура из наночастиц стремится занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии его взаимодействия с полем.

При этом внешнее электромагнитное поле поляризует каждую частицу, и их взаимодействие приводит к выравниванию частиц вдоль направления внешнего поля, преодолевающего противодействие их теплового движения.

Взаимное действие этих двух процессов приводит к определенной равновесной пространственной ориентации наночастиц.

«Ориентация наночастиц в переменном поле связана с определенными периодами релаксации, отдыха. Они зависят от вязкости и температуры среды, а также от геометрической структуры образцов. Поэтому для оценки общего времени поэтапной сборки структуры также необходимо учитывать время релаксации для предварительно сформированной пары частиц и распределение ориентации для таких пар», — пояснил Алексей Ципотан.

Исследователи разработали математическую модель процесса установления распределения ориентаций пар частиц, которая учитывает силы трения, теплового движения и ориентирующего лазерного поля.

Моделирование процесса позволило ученым СФУ получить вблизи резонанса сформированной пары статистическое распределение по ориентациям для двух частиц теллурида кадмия CdTe в поле лазерного излучения умеренной интенсивности в зависимости от его длины волны.

Оказалось, что процесс установления ориентационного равновесия можно описать шестью обыкновенными дифференциальными уравнениями, что позволяет численно оценить время установления равновесного состояния и определить положение пары через определенный промежуток времени, в том числе при отсутствии внешнего излучения.

Среднее время установления ориентационного равновесия пар наночастиц в переменном поле, по расчетам ученых, составило несколько наносекунд. Полученные данные, в свою очередь, позволяют определить время необходимой задержки между ориентирующим и формирующим импульсами в процессе самосборки.