Международная группа исследователей, куда входят ученые Университета ИТМО, экспериментально продемонстрировала способ, с помощью которого можно получить сложноорганизованные наночастицы для управления светом. Потенциально это может изменить технологию производства подобных материалов и заметно удешевить получение наночастиц для управления светом, что может быть использовано в развитии микроэлектроники. Статья ученых опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Ultrafast Melting of Metal–Organic Frameworks for Advanced Nanophotonics

The conversion of metal–organic frameworks (MOFs) into derivatives with a well‐defined shape and composition is considered a reliable way to produce efficient catalysts and energy capacitors at the nanometer scale. Yet, approaches based on conventional melting of MOFs provide the derivatives such as amorphous carbon, metal oxides, or metallic nanoclusters with an appropriate morphology. Here ultrafast melting of MOFs is utilized by femtosecond laser pulses to produce a new generation of derivatives with complex morphology and enhanced nonlinear optical response. It is revealed that such a nonequilibrium process allows conversion of interpenetrated 3D MOFs comprising flexible ligands into well‐organized spheres with a metal oxide dendrite core and amorphous organic shell. 
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201908292

Расплавить без тепла

Ставя перед собой задачу создать новые оптически активные наноструктуры, ученые воздействовали на мягкие каркасы фемтосекундными лазерными импульсами. Неожиданно стало очевидно, что свет не только позволяет модифицировать материал — при достаточно интенсивном инфракрасном излучении каркас начал плавиться, в результате чего формировались наночастицы с целым набором оптических свойств. При этом плавление светом происходило за миллиардные доли секунды, еще до того, как обычное тепло было способно разрушить каркас.

«Мы наблюдали за поведением каркасов при увеличении интенсивности излучения: сначала обнаружили проявление нелинейно оптических процессов, затем, немного увеличив интенсивность, мы заметили, что происходит мгновенное плавление каркаса, сопровождающееся взрывом и появлением наночастиц с новой внутренней структурой и, соответственно, свойствами. Все это происходит очень быстро, за фемтосекунды, и за это время создается нечто уникальное, что нельзя найти в природе», — рассказывает Никита Кулаченков, соавтор исследования, младший научный сотрудник физико-технического факультета.

Полученные наночастицы затем были проанализированы международным консорциумом при участии ученых из Нидерландов и Франции в рамках международных проектов ФЦП и РНФ.

«Любопытно то, что эти частицы проявляли два нелинейных оптических эффекта одновременно. Во-первых, они преобразовывали частоты падающего когерентного излучения. Проще говоря, когда на эти частицы светит луч ИК-спектра с длиной волны около 1000 нанометров, то на выходе мы видим излучение уже с длиной волны около 500 нанометров, что соответствует желто-зеленому видимому спектру. Второй эффект — преобразование одной длины волны в широкий спектр, то есть наблюдается люминесценция. Также мы увидели, что при рассеянии белого света на таких структурах происходит селекция рассеянных длин волн, что приводит к колорированию наблюдаемых в микроскоп наночастиц», — продолжает Кулаченков.

Значение открытия

Ученым удалось не только создать наночастицы с такими свойствами при помощи фемтосекундного лазера, но и полностью описать все необходимые условия для направленного синтеза новых видов сложноорганизованных наноструктур из метал-органических каркасов.

«В процессе эксперимента мы выяснили, что для создания таких структур подходят не все метал-органические каркасы, как мы предполагали изначально, — рассказывает Валентин Миличко, руководитель проекта и соруководитель российско-французской лаборатории. — Принципиальное значение несут как молекулярная масса отдельных строительных блоков (чем больше, тем лучше), так и делокализация валентных электронов по всей структуре. Полученные наноструктуры биосовместимы и потенциально биодеградируемы. Это позволит их применить в “зеленых” технологиях, в частности в “зеленой” энергетике».

Из этих структур благодаря комбинации их свойств и состава можно в будущем сделать оптически активные элементы для нанофотоники. С помощью этих частиц можно преломлять свет, усиливать его на определенных длинах волн, менять его частоту.  Таким образом может осуществляться практически полный спектр управления светом.

«Наноструктуры, полученные из метал-органических каркасов, обычно используются для катализа, а также в литий-ионных аккумуляторах.  Их получение очень дорого и сложно. Мы же предлагаем принципиально новый, простой, быстрый и сравнительно дешевый способ с использованием обычного индустриального лазера, при этом эти же структуры могут быть использованы и в оптике», — добавляет Валентин Миличко.

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/9088/