Дослідження опубліковано у журналі Nanomaterials. Композитні наночастинки — це наномaterials, що складаються з двох або більше компонентів. Їхні властивості визначаються хімічною та фізичною природою їхніх структур. Вони знаходять широке застосування, починаючи від електроніки та каталізу до медицини. Перспективи медичного використання таких частинок пов’язані з їхнім нагріванням під впливом ІК-випромінювання, яке є прозорим для біологічних тканин та живих організмів. Створення композитних наночастинок з налаштовуваними оптичними властивостями є одним із актуальних завдань. Дослідники запропонували новий підхід до синтезу нанокомпозитів MoS2-Au з використанням фемтосекундної лазерної абляції в рідині для досягнення налаштовуваних оптичних властивостей у ближній інфрачервоній області.
«Екологічність синтезу наночастинок методом лазерної абляції в рідині передбачає досить багато аспектів: по-перше, ми не використовуємо для створення композитів хімічних реагентів, оскільки синтез відбувається у воді. По-друге, нам не потрібно утилізувати продукти реакцій, оскільки ми впливаемо лазером на твердий мішень потрібного матеріалу, “відщеплюючи” від нього наночастинки. По-третє, отримані наночастинки виходять безлігандними, тобто відсутність хімічного прекурсора сприяє чистоті їхньої поверхні», — пояснив Олексій Большаков, директор Центру фотоніки та двовимірних матеріалів МФТІ.
Розчин наночастинок синтезувався методом фемтосекундної лазерної абляції в рідині. Лазерна абляція — це метод впливу на матеріал за допомогою високоенергетичного лазерного випромінювання. Під впливом лазерного випромінювання тверде тіло зразка перетворюється на плазму, яка потрапляє в рідину. Усередині плазми утворюються бульбашки, всередині яких плазма конденсується в наночастинки. Фемтосекундні лазерні імпульси ініціюють швидке і прицільне нагрівання матеріалу, що прискорює утворення частинок і робить процес синтезу більш ефективним. За допомогою багатоетапного процесу лазерної абляції дослідники створили наночастинки з різними структурами.
«За допомогою лазерної абляції ми можемо конструювати безліч протоколів синтезу, змінюючи місцями етапи абляції (абліруючи одні матеріали в розчині інших, а також фрагментуючи, розбиваючи суміші отриманих наночастинок, щоб зробити з них композитні наночастинки). Ми можемо також ініціювати розкладання реагентів, традиційно використовуваних для хімічного синтезу наночастинок, за допомогою лазерного впливу. Наприклад, ми можемо додавати в традиційний процес абляції AgNO3 і відновлювати його до сателітів срібла, що лежать на поверхні частинок», — розповів Ілля Завидовський, старший науковий співробітник лабораторії контрольованих оптичних наноструктур Центру фотоніки та двовимірних матеріалів МФТІ.
Використовуючи одно-, дво- та трьохетапні методики синтезу, вчені отримали композитні наночастинки з унікальною архітектурою «ядро–оболонка» та «ядро–оболонка–сателіт», що поєднують у собі фази MoS2/MoSxOy, MoSxOy/Au та MoS2/MoSxOy/Au. Фізики досліджували властивості отриманих наночастинок методами спектроскопії комбінаційного розсіювання, просвічуючої електронної мікроскопії, енергорозподільчої рентгенівської спектроскопії, спектроскопії оптичного поглинання. Оптична спектроскопія розчинів наночастинок показала значні зміни в оптичному відповіді частинок залежно від їхньої структури. Гібридні наночастинки продемонстрували поліпшені фототермальні властивості під впливом лазерного випромінювання в ближньому ІК діапазоні. Такі частинки мають потенційні переваги для селективної фототермальної терапії.
«Ми встановили, що в ході абляції MoS2 на ньому виникає оболонка оксиду MoO3 або сульфоксида MoSxOy. Виявилося, що оксид молібдену має пік поглинання в області, близькій до вікна біологічної прозорості тканин, що спонукало нас до подальших досліджень фотонагріву ІК-лазером з довжиною хвилі 830 нм», — поділився Ілля Мартинов, старший науковий співробітник лабораторії двовимірних матеріалів і наноелектроніки Центру фотоніки та двовимірних матеріалів МФТІ.
Можна сказати, що розроблені наночастинки прокладають шлях для персоналізованих терапевтичних застосувань і є перспективними кандидатами для застосувань нанофотоніки та в галузі лікування раку. Метод фемтосекундної лазерної абляції не лише спрощує екологічно чистий синтез гібридів на основі Au/MoS2, але й дозволяє точно налаштовувати оптичні властивості цих наночастинок.
У роботі брали участь вчені з МФТІ, Інституту інженерної фізики для біомедицини (МІФІ), Центру досліджень нових технологій (XPANCEO, ОАЕ), Університету Екс-Марсель (Франція), СПбАУ РАН, СПбГУ, Сколтеху. Дослідження було виконано за підтримки Міністерства науки і вищої освіти Росії.