ИСТИНА

Оптические свойства металлических плазмонных наноструктур, в особенности, частиц сложной формы и их ансамблей, представляют в настоящее время большой фундаментальный и практический интерес, связанный с возможностью их использования в ряде приложений, включая (био)сенсорику, нанофотонику, свехчувствительную спектроскопию и создание метаматериалов. Путь к направленному созданию материалов с желаемыми характеристиками лежит через понимание взаимосвязи между структурой наночастицы и ее свойствами. Ключом к качественному объяснению спектральных свойств частиц сложной формы является концепция гибридизации плазмонных мод, представляющая наблюдаемые в системе моды как результат взаимодействия мод более простых подструктур. В настоящее время имеется лишь небольшое количество экспериментальных систем, позволяющих изучать данные эффекты, что связано со сложностью формирования наночастиц заданной формы и размером с точностью около 10 нм. В данном проекте для получения наносистем с систематически изменяемыми структурными характеристиками, такими, как размер и симметрия, предполагается использовать и дополнительно развивать методику коллоидной литографии. Данный подход дает возможность относительно просто создавать массивы наноструктур на различных подложках площадью в несколько квадратных сантиметров. В комбинации с теоретическим анализом и численным моделированием это позволит расширить понимание процессов плазмонной гибридизации и откроет возможности для направленного получения наноматериалов с заданными оптическими свойствами. В ходе выполнения проекта будет изучена чувствительность полосы плазмонного резонанса полученных наносистем к изменению диэлектрической проницаемости среды для оценки перспективности их применения при создании высокочувствительных оптических (био)сенсорных материалов.

Optical properties of metallic plasmonic nanostructures, in particular, particles of complex shape, and their ensembles, are currently a large fundamental and practical interest associated with the possibility of their use in a number of applications, including (bio) sensor technology, nanophotonics, svehchuvstvitelnuyu spectroscopy and the creation of metamaterials. The road to the direction of creating materials with desired characteristics is through the understanding of the relationship between the structure of the nanoparticles and their properties. The key to a qualitative explanation of the spectral properties of the complex shape of the particles is the concept of hybridization plasmon modes representing the modes observed in the system as a result of the interaction of the modes of simpler substructures. Currently, there are only a small number of experimental systems that allow to study these effects, due to the complexity of forming a predetermined shape and size of nanoparticles with an accuracy of about 10 nm. In this project for nanosystems with systematically variable structural characteristics, such as size and symmetry, to be used and further develop the technique colloidal lithography. This approach makes it possible to relatively easily create arrays of nanostructures on various substrates a few square centimeters in size. In combination with theoretical analysis and numerical simulations will allow to expand the understanding of the plasmon hybridization processes and open up opportunities for targeted nanomaterials with desired optical properties. In the course of the project it will be studied the sensitivity of the plasmon resonance band obtained nanosystems to change the dielectric constant of the medium to assess the prospects of their application in the creation of highly sensitive optical (bio) sensor materials.

В результате выполнения проекта будут разработаны новые экспериментальные методики получения кластеров металлических наночастиц (димеров, тримеров, тетрамеров и т.п.) с контролируемыми формой, размером и взаимным расположением частиц. Сравнительно низкая трудоемкость и себестоимость предлагаемого подхода по отношению к электронно-лучевым литографическим методам формирования наноструктур делает его перспективным для применения в широком кругу исследовательских лабораторий а также для промышленного использования. Анализ полученного в проекте набора спектральных данных для структур с систематически изменяющимся структурными параметрами в совокупности с результатами численного моделирования позволит выявить закономерности взаимодействия плазмонных мод в наносистемах сложной формы. Будут сформулированы подходы к управлению оптическими свойствами наноплазмонных материалов. Для наиболее перспективных структур будет экспериментально определена чувствительность к изменению диэлектрической проницаемости среды, необходимая для создания новых оптических (био)сенсоров.

Ранее в ходе выполнения совместных работ с нанонаучным центром г. Орхус (Дания) авторами была освоена экспериментальная техника коллоидной литографии для получения различных наноструктур металлов. С помощью данного подхода экспериментально получен и исследован ряд плазмонных наносистем, включая нанокольца, тонкие пленки с наноотверстиями, нанокубики, нанодиски. Проведено численное моделирование плазмонных резонансов в исследованных системах. Результаты работы опубликованы в совместных публикациях. Полученный опыт и наличие налаженного контакта между группами будет способствовать успешному выполнению проекта. Участники проекта обладают глубокими знаниями и опытом работы с коллоидными и наносистемами, техникой вакуумного осаждения, спектральными измерениями, что отражено в публикациях.

Проведено экспериментальное и теоретическое исследование формирования гибридизованных плазмонных мод в двух комплементарных типах структур - металлического нанокольца и тонкой металлической пленки с отверстиями в форме нанокольца (на примере золота). Показано, что в отличие от наноколец, в структурах с отверстием в форме кольца наиболее низколежащей по энергии является мода, образованная антисимметричной комбинации дипольных мод диска и цилиндрического отверстия. Отмечено сильное влияние величины зазора между диском и краем отверстия в пленке на частоту плазмонного резонанса, что вместе с доступной экспериментальной методикой получения таких систем делает их перспективными для практического применения в биосенсорике и спектроскопии. Предложен новый тип биосенсора на основе плазмонной наноструктуры с иммобилизованными сложными белковыми матрицами на поверхности. Показано, что такие гибридные системы позволяют проводить количественное определение взаимодействия полифенолов со смесью белков сложного состава. Установлено, что отдельные полифенолы (катехин, Процианидин В3 -Катехин, Пентагаллоил-глюкоза) обладают различным уровнем связывания с чувствительным слоем, созданным путем молекулярного импринтинга белков, входящих в состав слюны. Предложенный подход открывает возможности для изучения биодоступности полифенолов а также может быть применен для удерживания молекул лекарственных препаратов. С помощью компьютерного моделирования методом конечных разностей во временной области (FDTD) определены закономерности формирования плазмонных мод в системе двух взаимодействующих наночастиц треугольной формы. Показана возможность достижения высоких значений усиленного поля в зазоре между наночастицами при возбуждении плазмонного резонанса, что перспективно для использования в оптических сенсорах. Проведено изучение эволюции наночастиц серебра сферической и кубической формы в биологических средах. Впервые показано, что слой слабо связанных с частицей молекул белка (мягкая корона) может определять способность наночастиц серебра к биотрансформации и влиять на их токсичность. Установлено, что наличие мягкой короны ингибирует образование наночастиц Ag2S. Предложена модель, объясняющая влияние мягкой короны наличием быстрого переноса ионов серебра в раствор слабо связывающимися с частицей молекулами белка. Экспериментально показано, что сульфидирование наночастиц серебра приводит к уменьшению их токсичности. Изучена оптическая активность ахиральных асимметричных металлических наночастиц. На примере асимметричного золотого нанокольца впервые продемонстрирована возможность реализации «внешней» хиральности в одной частице. Показано, что при облучении под углом к нормали частиц в спектрах кругового дихроизма возникает заметный сигнал вблизи длины волны резонансной моды кольца. Сигнал исчезает при нормальном облучении и меняет знак при изменении знака угла. Кроме того, сигнал КД отсутствует, если волновой вектор падающего света лежит в плоскости симметрии кольца. Предложен механизм оптической активности, основанный на возникновении осциллирующих магнитного и электрического дипольного момента, которые выступают в роли дополнительного источника электромагнитной волны. Результаты могут быть использованы при разработке новых метаматериалов и настраиваемых энантиоселективных (био)сенсоров.