Лазерный мир

Мироненко Александр Юрьевич // КАРТОЧКА ПРОЕКТА, ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Аннотация
В настоящее время большое внимание уделяется диэлектрическим резонансным микро- и наноструктурам из материалов с высоким показателем преломления, как перспективной платформе для использования в ряде аналитических приложений спектроскопии поверхностно усиленного комбинационного рассеяния. Основными преимуществами таких структур являются высокая химическая инертность, воспроизводимость характеристик, возможность перестройки оптического отклика, многократного использования, а также широчайшие возможности функционализации поверхности путем ковалентной пришивки селективных рецепторов, способных обеспечить молекулярное распознавание «хозяин-гость» при использовании комплементарных пар рецептор-аналит. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние годы в области изучения и использования резонансных диэлектрических наноструктур, трансфер исследовательских технологий в практическую плоскость сдерживается рядом нерешенных проблем. В частности, практически отсутствуют экономически обоснованные технологии фабрикации и тиражирования нанотекстурированных поверхностей, состоящих из плотноупакованных резонансных диэлектрических структур, т.к. хорошо отработанные в настоящее время высокоточные методы ионно- или электронно-лучевой литографии не обеспечивают должную скорость и стоимость изготовления, оставаясь технологиями для научных применений. Кроме того, учитывая сложный характер нанотопографии поверхности резонансных структур, в настоящее время не существует удобных и воспроизводимых протоколов их функционализации различными молекулами. В рамках данного междисциплинарного проекта предполагается разработка эффективной и экономически обоснованной технологии изготовления нового типа функционализированных поверхностей с контролируемыми оптическими и сорбционными свойствами, состоящих из плотноупакованных оптических резонансных наноструктур на основе кристаллического кремния, для применения в качестве неинвазивных сенсорных, в том числе биосенсорных, платформ нового поколения. Для разработки такой гибкой оптимизированной технологии авторами проекта будут опробованы несколько передовых оптических подходов, включающих высокоточную лазерную абляцию тонких пленок аморфного кремния «структурированными» лазерными пучками типа оптический вихрь, абляционную генерацию кристаллических кремниевых частиц в растворах с их последующим осаждением на различные подложки, запись лазерно-индуцированных субволновых самоорганизованных решеток на поверхности кристаллического кремния, прямой лазерно-индуцированный перенос расплавленных субмикронных кремниевых наночастиц при высокоточной абляции подложки-донора. Альтернативно будут опробованы высокоэффективные неоптические методы создания кремниевых резонансных структур, в частности, реактивное химическое травление, в том числе, через упорядоченные маски самоорганизованного монослоя микросфер, а также температурный деветтинг тонких пленок. Таким образом, серия экспериментальных исследований позволит выявить, отработать и оптимизировать наиболее эффективные подходы к фабрикации массивов кремниевых резонансных наноструктур. Следует отметить, что, хотя кремний является наиболее распространенным и хорошо изученным материалом для дизайна оптических диэлектрических наноантенн, в частности, благодаря высокому значению показателя преломления и низким потерям в видимом оптическом диапазоне, его потенциал в задачах реализации эффективных хемосенсоров на эффектах поверхностно-усиленной люминесценции и поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния остается практически неизученным. Кроме того, наличие в собственном спектре комбинационного рассеяния кристаллического кремния характеристической линии, спектральное положение которой зависит от температуры, позволяет реализовать неинвазивную сенсорную платформу, обеспечивающую высокоточные измерения с контролем температуры. Вместе с тем, разнообразие химии поверхности кремния потенциально открывает перспективы создания функционализированных резонансных наноструктур, способных селективно связывать и концентрировать в поверхностном слое интересующий аналит. В качестве конкретных приложений, в данном проекте планируется разработка методов детектирования катионов тяжелых металлов (Hg, Pb, Cu, Cd, Co, Fe) на подложках, функционализированных селективными метал-хелатирующими группами, в том числе, производными красителей дибензопиранового ряда, претерпевающими таутомерные превращения при связывании катионов, что обеспечит модуляцию сенсорного отклика. Также, будут получены подложки, модифицированные циклодекстринами и исследована возможность их применения для регистрации ароматических, в том числе, нитро- и аминоароматических соединений. Реализация неинвазивной сенсорной платформы, с настраиваемой аффинностью к аналиту и обеспечивающей температурную обратную связь в процессе измерений, на основе функционализированных поверхностей кремниевых нанорезонаторов является уникальной даже для мировой практики задачей.

Ожидаемые результаты
Основными результатами, полученными в рамках реализации данного проекта, станут разработка гибкой экономически обоснованной технологии создания нанотекстурированных поверхностей, состоящих из диэлектрических резонансных наноструктур и соответствующих протоколов их химической функционализации, для применения в качестве неинвазивных сенсорных платформ нового поколения в спектроскопии поверхностно усиленного комбинационного рассеяния. Реализация настоящего проекта открывает перспективы для создания нового класса неинвазивных высокочувствительных диэлектрических сенсорных, в том числе биосенсорных, поверхностей, позволяя вывести эти важные исследования на новый уровень в России. В качестве конкретных приложений, планируется получить металл-хелатирующие сенсорные подложки и разработать соответствующие методы детектирования катионов тяжелых металлов (Hg, Pb, Cu, Cd, Co, Fe) в водных и водно-органических средах. Также, будут получены подложки, модифицированные циклодекстринами и исследована возможность их применения для высокочувствительной регистрации ароматических, в том числе, нитро- и аминоароматических соединений (к соединениям данных классов относятся практически все наркотические и взрывчатые вещества). Предлагаемые в рамках настоящего проекта исследования будут реализованы совместными усилиями комбинированной научной группы из Института химии ДВО РАН, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), а также привлекаемыми исследователями из Центра микрофотоники Технологического университета Свинберна (г. Мельбурн, Австралия), возглавляемого ведущим в мире специалистом в области лазерной нанофабрикации биосенсорных поверхностей и функциональных элементов нанофотоники профессором Саулиусом Йодказисом (основной исполнитель). Консолидированный коллектив исследователей имеет необходимый опыт совместной работы и располагает всеми передовыми техническими возможностями для проведения экспериментальных исследований по отработке методов фабрикации резонансных кремниевых структур, а также изучению оптических и сенсорных свойств поверхностей на их основе. Коллаборационный междисциплинарный характер предлагаемого исследования с участием в нем ученого с мировым именем будет способствовать эффективному обмену накопленным опытом и наработками в соответствующих областях знаний между молодыми специалистами, студентами и аспирантами, а также повышению уровня проводимых научных исследований и качества публикаций на Дальнем Востоке. По результатам работ планируется опубликовать серию из 11 научных статей в высокорейтинговых международных изданиях, входящих в первый квартиль (Q1) базы данных «Сеть науки» (Web of Science) в соответствующих областях знаний. Также планируется подготовка 1-2 патентов, в том числе зарубежных, по разным аспектам разрабатываемых технологий фабрикации кремниевых нанорезонаторов — с целью коммерциализации и промышленного внедрения инновационных результатов исследований.

Опубликовано на https://rscf.ru/project/18-79-10091/