Научно-исследовательская группа ученых СФУ и ФИЦ КНЦ СО РАН предсказала существование нового типа плазмонов, связанных с переносом заряда. Эксперты оценивают полученный результат как весьма яркий и многообещающий с точки зрения создания основы для создания сверхчувствительных биосенсоров нового поколения.

Работа опубликована в рейтинговом международном журнале Journal of Chemical Physics. Наноплазмоника на сегодняшний день считается одной из самых быстроразвивающихся областей нанофотоники. Именно открытия в наноплазмонике могут внести решающий вклад в развитие биомедицины, солнечной энергетики и телекоммуникационных технологий. Исследователям из СФУ удалось предложить совершенно новый тип плазмонных частиц, которые имеют значительный потенциал.

«В отличие от хорошо известных «классических» плазмонов, которые генерируются, например, в наночастицах серебра и золота под действием внешнего электромагнитного поля, мы рассмотрели плазмоны, появляющиеся в металлических (золотых) наночастицах, связанных посредством мостиков (линкеров) — проводящих органических молекул (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема системы для генерации плазмонов с переносом заряда / ©Пресс-служба СФУ      

Схема системы для генерации плазмонов с переносом заряда / ©Пресс-служба СФУ


Поведение классических плазмонов хорошо описывается классическими же уравнениями Максвелла. А в нашем случае значительную роль играют скорее квантовые эффекты, поэтому стандартные программы для решения уравнений Максвелла неприменимы. Кроме того, существует проблема описания свойств наночастиц, которые можно описать полностью квантовыми методами за разумное время с ограничением в несколько сот атомов в наночастице.

Чтобы преодолеть это ограничение и провести расчет плазмонных колебаний в рассматриваемой системе, мы разработали оригинальную гибридную квантово-классическую модель, учитывающую квантовые эффекты, с основными параметрами, полученными из квантово-химического моделирования», — отмечает один из авторов исследования, профессор СФУ Александр Федоров.

Ученые рассмотрели систему, состоящую из двух золотых наночастиц, связанных молекулой полиацетилена. Наночастицы в этой системе проявляют металлические свойства благодаря тепловому расширению уровней энергии вблизи энергии Ферми, которые важны для реализации предложенной модели возникновения плазмонов при переносе заряда между двумя наночастицами.

При этом проводящая молекула-мостик фактически является одномерным проводником, в котором электроны или дырки движутся в баллистическом режиме из-за того, что длина свободного пробега носителей значительно превышает длину мостика. 

«Ключевым моментом нашей модели является рассмотрение динамики электронов в системе, которая описывается на языке волновой функции. Под действием электрического поля электроны проводимости ускоряются, что приводит к изменению их квазиимпульса и кинетической энергии.

Изменение этих величин можно легко рассчитать, зная только структуру соответствующей зоны и эффективную массу электрона. В разработанной нами теории мы установили связь между квантовыми и классическими величинами — квазиимпульсом, импульсом и внешней силой, действующей на свободные носители.

Расчеты показали, что рассматриваемая система действительно обладает металлическими свойствами и может проводить постоянный или переменный ток, что может приводить к появлению плазмонов. При этом плазмонная частота, которая и интересна для приложений, смещается в инфракрасную область», — пояснил старший научный сотрудник СФУ Павел Краснов.

Авторы работы провели ряд необходимых квантово-химических расчетов и установили, что предложенный новый тип плазмонов и связанная с ними плазмонная частота отличаются высокой чувствительностью к внешнему окружению.

«Мы полагаем, что предложенный тип плазмонов может широко применяться в качестве химических зондов и биозондов. Это связано с тем, что при адсорбировании внешних молекул на молекуле мостика проводимость этой «мостовой» частицы будет очень резко меняться и это, в свою очередь, повлияет на частоту плазмонов, которую легко измерить. В принципе, разработанная нами гибридная квантово-химическая модель интересна и сама по себе.

Она закладывает основу для достаточно простого квантово-классического моделирования плазмонных систем и может применяться в широком спектре еще нерешенных задач плазмоники», — заключил соавтор исследования, ведущий научный сотрудник СФУ Сергей Полютов.

Исследование выполнено в рамках гранта РНФ.  

Источники

Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
Naked Science (naked-science.ru), 11/03/2020
Квантовый мост: ученые предсказали новые плазмоны
Научно-инновационный портал СФУ (research.sfu-kras.ru), 11/03/2020
Квантовый мост: ученые предсказали новые плазмоны
Сибирский федеральный университет (sfu-kras.ru), 11/03/2020
Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
Kolibri.press, 11/03/2020
Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
Российский научный фонд (рнф.рф), 12/03/2020
Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
Российский научный фонд (rscf.ru), 12/03/2020
Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
Nanonewsnet.ru, 13/03/2020
Предсказано существование новых плазмонов, пригодных для создания сверхчувствительных биосенсоров
SMIonline (so-l.ru), 13/03/2020

Похожие новости

  • 05/07/2019

    Профессор из Красноярска занимается уникальными биополимерами и борется с научными предрассудками

    ​Ученый-биолог из Красноярска Екатерина Шишацкая разрабатывает уникальные способы получения материалов для медицинских имплантатов. В фокусе исследований – материалы для сердечно-сосудистой хирургии. Вместе с этим она занимается популяризацией науки и пытается бороться с половым неравенством в научном сообществе.
    657
  • 16/01/2019

    Ученые СФУ помогут создать устойчивые к засухам породы хвойных деревьев

    ​Научный коллектив под руководством ведущего научного сотрудника Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, руководителя лаборатории лесной геномики СФУ, профессора Гёттингенского университета Константина Крутовского и академика РАН, научного руководителя СФУ Евгения Ваганова изучает влияние индивидуального генотипа и уровня индивидуальной гетерозиготности на индивидуальную приспособленность, стабильность развития (гомеостаз), жизнеспособность и устойчивость деревьев к стрессам на примере сибирской лиственницы (Larix sibirica Ledeb.
    989
  • 15/03/2017

    Молодые ученые Красноярска создают «умные нанофильтры»

    ​Молодые ученые из России и Украины приехали в Красноярск для работы над инновационным проектом. Научный коллектив создает в лаборатории мембраны, способные разделять компоненты жидких смесей. Ученые уверены: такая технология может найти свое применение в металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
    1633
  • 17/09/2019

    Проректор по науке Руслан Барышев рассказал о приоритетах научной работы в СФУ

    ​Развитие науки в Сибирском федеральном университете — поступательный и системный процесс. Комплексный подход сочетает в себе различную грантовую поддержку, актуальные формы стимулирования, политику в области патентной деятельности, подготовки монографий и учебных пособий, сохранение традиционных научных школ и формирование молодых амбициозных коллективов.
    601
  • 05/02/2019

    Акция «Открытая лабораторная» пройдет в 30 странах мира в честь Дня российской науки

    ​​Массовая акция по проверке научных знаний пройдет 9 февраля 2019 года. В этот раз все желающие впервые смогут проверить научность своей картины мира на русском, английском, французском и других основных мировых языках.
    2977
  • 23/08/2019

    Ученые ИВМ СО РАН и АлтГУ создали математическую основу для упрощения работы в области жидкостных технологий

    Ученые Алтайского государственного университета и Института вычислительного моделирования ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» завершили первый этап работы над проектом по исследованию процессов тепломассообмена и динамики явлений в многофазных системах.
    638
  • 19/10/2017

    Евгений Ваганов: научная продуктивность университета зависит от стремления ее повышать

    ​Сибирский федеральный университет стал самым цитируемым среди вузов Российской Федерации за 2016 год по направлению биология и биохимия в системе Web of Science. Это крупнейшая поисковая платформа, объединяющая реферативные базы данных публикаций в научных журналах и патентов, в том числе и базы, учитывающие взаимное цитирование публикаций.
    1097
  • 16/04/2019

    Рентген помог российским физикам уточнить структуру воды

    ​Международный коллектив ученых точно измерил силу водородных связей между молекулами воды и опроверг популярную сегодня теорию о том, как устроена эта необычная жидкость. Новое теоретическое описание структуры воды было представлено в журнале Nature Communications.
    644
  • 29/06/2018

    Сибирский компактный анализатор проверит воду на загрязнения

    ​Ученые из Сибирского федерального университета и Института биофизики Сибирского отделения РАН создали микроканальный одноразовый микроприбор для проверки качества воды. Это довольно простое и дешевое устройство, однако по чувствительности оно не уступает более дорогим многоразовым анализаторам, и при этом гораздо более быстродействующее.
    613
  • 05/06/2018

    Премия за лучшее продвижение ученых в медиа

    ​Гран-при первой в России профессиональной премии для специалистов в сфере научных коммуникаций "Коммуникационная лаборатория года" получила пресс-служба Университета ИТМО (Санкт-Петербург). Второе место заняла команда НИУ Высшая школа экономики (Москва), пресс-служба ВШЭ также одержала победу в номинации "Эксперимент" - за лучшие практики в сфере офлайн-коммуникации.
    1037