Международная команда ученых изучает резонансные свойства наночастиц со сферической полостью внутри. Предложенная теоретическая модель помогает их точно рассчитать и описать. Это вклад в развитие наноплазмоники, которая имеет широкое прикладное значение в медицине, химии, тераностике. Полые наночастицы можно использовать в качестве безопасных «контейнеров», чтобы «упаковать» лекарственный препарат.

Образование резонансных мод в «пустых» наночастицах описывается методами классической оптики, но при моделировании вызывает определенные сложности, связанные с их размерными, морфологическими и структурными характеристиками. Однако, полые наноструктуры выполняют важную роль в медицинских приложениях и, поэтому остается актуальным вопрос поиска способа и метода определения оптических свойств в этих частицах.  

Отечественные исследователи в сотрудничестве с зарубежными коллегами детально изучают наноструктуры с особыми плазмонными свойствами. Опираясь на разработанную ранее дискретную атомистическую модель, которая описывает эти плазмонные возбуждения в полых наночастицах, ученые проверяют, от чего зависит положение оптических резонансов. Сравнение с классической электродинамической  моделью Ми подтвердило преимущества модели атомарного взаимодействия для описания оптических свойств наночастиц размером 1-15 нм и позволило рекомендовать их применение в качестве безопасных «контейнеров» для доставки лекарственных препаратов в организм человека.

Международный коллектив ученых из России, Швеции и США возглавил профессор Королевского технологического института Ханс Огрен. Разработкой модели ex-DIM занимались сотрудники Королевского технологического института доктор Лассе Соренсен и доктор Зилвинас Ринкявичус. За теоретические расчеты отвечали российские специалисты Вадим Закомирный (со стороны атомистического моделирования ex-DIM) и Илья Рассказов (со стороны теории Ми) под руководством профессора Скота Карни из Рочестерского университета (Нью-Йорк, США).

Статья, в которой представлена авторская модель и точные расчеты научной команды, недавно опубликована в престижном научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Один из соавторов работы – Вадим Закомирный – кандидат физико-математических наук (в прошлом году  защитил степень PhD  по совместной программе Сибирского федерального университета и Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция)),  младший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии Сибирского федерального университета (СФУ) (г. Красноярск), младший научный сотрудник Института вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМ СО РАН) (г. Красноярск) рассказал о  ключевых аспектах коллективной работы физиков-теоретиков, в частности, пояснил, что представляет  собой  «плазмонный резонанс» в сферических нанооболочках,  как  авторская модель атомарного взаимодействия помогает  смоделировать их резонансные свойства  и  как  учет оптических свойств таких полых наночастиц  используется в  медицинских приложениях.

Прежде всего, Вадим Закомирный уточнил, почему важно изучение оптических свойств наноструктур со сферической полостью внутри:

«Большинство теоретических и экспериментальных исследований в фотонике преследуют одну единственную цель – облегчить жизнь людей. Одни группы заинтересованы в моделировании неизвестных ранее оптических эффектов для создания новых фотонных устройств, например универсальные сенсоры, оптические фильтры, увеличение эффективности солнечных батарей и так далее. Другие группы больше заинтересованы в применении своих знаний в области современной биомедицины, химии и в других «науках о жизни». Наше исследование мы относим ко второй группе. Около полутора десятков лет назад, с развитием экспериментальной базы, произошел большой скачок в области фотоники/плазмоники. Благодаря этому появились идеи о возможности применения металлических наночастиц для фототермальной терапии раковых клеток. Эта технология позволяет поместить наночастицы рядом с больными клетками, затем нагреть наночастицы и уничтожить раковые клетки тепловым воздействием. Второе интересное направление здесь – это адресная доставка лекарственных средств. Для этого внутрь наночастицы запаковывается активное вещество, наночастицы доставляются до целевых тканей и разрушаются, высвобождая биологические материалы в строго определенных местах. Улучшение этой технологии и было целью нашего исследования».

Что представляют собой гибридизированные плазмонные моды в «пустых» наночастицах и почему их трудно смоделировать?

«Гибридизированные плазмонные моды в «пустых» наночастицах, или, другими словами, «нанооболочках», представляют собой колебания свободных электронов на поверхности наночастицы. При облучении наночастиц лазером на определенных длинах волн эти колебания входят в резонанс, что проявляется в усиленном поглощении внешнего излучения такими наночастицами. По сути, это явление и называется «плазмонный резонанс». Однако, в нанооболочках плазмонный резонанс имеет свои особенности. Благодаря пустоте внутри наночастицы, мы видим проявление двух плазмонных резонансов, в то время как обычные наночастицы без полостей внутри имеют только один резонанс. Классические модели для симуляции оптических свойств наночастиц хорошо справляются со сферическими наночастицами. Однако, наличие пустоты внутри является особым случаем для таких моделей. А вот моделирование несферических частиц, например, с несферическими или находящимися не в центре наночастицы полостями, является крайне сложным случаем, и, зачастую, просто невозможно с использованием существующих методов», – поясняет Вадим Закомирный.

Ученые разработали новую атомистическую модель, известную как расширенная модель дискретного взаимодействия (ex-DIM). Для чего она предназначена и что позволяет описать/определить? Насколько надежны и эффективны результаты, полученные на основе этой модели?

«Да, действительно, недавно наша группа сформулировала и разработала модель расширенного дискретного взаимодействия (extended Discrete Interaction Model – ex-DIM). Если кратко, данная модель позволяет рассчитывать оптические свойства металлических наночастиц с атомным разрешением (см Рис. 1). Объектом исследования может быть наночастица с почти произвольной формой. Положения атомов задаются в соответствии с реально существующими в природе наночастицами. В недавних статьях мы провели глубокое исследование нашей модели и представили ряд сравнений как с более классическими подходами к описанию оптических свойств наночастиц, так и с экспериментальными данными. На сегодняшний момент, можно утверждать, что очень мало групп в мире могут похвастаться такой точностью расчетов», – убежден Вадим Закомирный.

Рисунок 1.  Схематическое изображение полой наночастицы, состоящей из отдельных атомов, используемой в моделировании с помощью метода ex-DIM 

Рисунок 1. Схематическое изображение полой наночастицы, состоящей из отдельных атомов, используемой в моделировании с помощью метода ex-DIM

Специалисты провели сравнительный анализ двух теоретических моделей (Mie и ex-DIM). Что он показал и каковы существенные различия, ученый СФУ разъяснил:

«Теория Ми (Mie theory) является «золотым стандартом», если речь заходит об описании оптических свойств наночастиц с размерами от десятка до сотен нанометров. С некоторыми доработками и математическими приемами модель может быть применена для цилиндров и сфероидов или пустых наночастиц (см. Рис. 2).... Тем не менее, эта модель абсолютно неприменима для несферических объектов. С другой стороны, как уже было сказано раньше, модель ex-DIM не имеет вышеупомянутых ограничений. До тех пор, пока мы имеем дело с физически возможными структурами, мы можем симулировать их оптический отклик. Более того, теория Ми имеет некоторые ограничения на размер исследуемой наночастицы – для очень маленьких наночастиц (1-15нм) влияние размерных поправок становится непредсказуемо высоким. Модель ex-DIM была специально создана для описания оптических свойств наночастиц в этом диапазоне размеров».

 

Рисунок 2.   Схематическое изображения полой наночастицы с точки зрения симуляции оптического отклика в теории Ми 

Рисунок 2. Схематическое изображения полой наночастицы с точки зрения симуляции оптического отклика в теории Ми

Каково положение оптических резонансов в зависимости от полного размера наночастицы и толщины её оболочки?

«Мы провели систематические исследования положения плазмонных резонансов в зависимости от полного размера наночастицы и толщины оболочки. Представленные данные помогут экспериментаторам «подстроить» наночастицы таким образом, чтобы получить резонанс на любой длине волны как в оптическом диапазоне длин волн, так и в ближнем инфракрасном диапазоне. Это открывает широкие перспективы для использования таких наночастиц в биологии – как известно, биологические ткани имеют так называемое «окно прозрачности» на границе видимого и ближнего ИК дипазонах. Таким образом, при определенном размере наночастиц и полостей внутри живые ткани не будут поглощать лазерный импульс, а наночастицы будут», – объясняет Вадим Закомирный.

Как отмечает российский физик: «На данный момент есть масса исследований наночастиц с пустотой внутри. Однако, столь точная модель для симуляции оптических свойств появилась не так давно. В нашей работе мы, конечно, ссылаемся на ряд экспериментальных работ по данной тематике. Приведенные нами результаты находятся в полном согласии с существующими экспериментальными результатами».

Какие работы планируются в будущем по исследованию оптических свойств наночастиц?

«Мы имеем обширные планы как по улучшению модели ex-DIM, так и по расширению спектра ее возможных применений. Нанооболочки являются крайне интересным объектом для исследования. В данном направлении мы планируем выполнить еще ряд работ по моделированию оптических свойств наночастиц с более сложной геометрией, в том числе геометрией полости внутри. Помимо этого, интерес представляют нанооболочки из других материалов, возможно, более интересных с точки зрения медицинских применений. В данный момент мы работаем над перспективами клинических исследований для наших наночастиц», – делится научными идеями предстоящей работы красноярский ученый.

Итак, представленный альтернативный вариант по определению резонансных свойств полых наноструктур демонстрирует не только точность численного моделирования и оригинальный подход, но и обещает большой диапазон для реализации потенциальных прикладных исследований.

Олеся Фарберович

 

PLASMONIC NANO-SHELLS: ATOMISTIC DISCRETE INTERACTION VERSUS CLASSIC ELECTRODYNAMICS MODELS / V. I. ZAKOMIRNYI, I. L. RASSKAZOV, L. K. SØRENSEN, P. S. CARNEY, Z. RINKEVICIUS, H. ÅGREN // PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, VOL. 22(24) PP. 13467-13473.

Похожие новости

  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    2009
  • 05/01/2017

    Егор Задереев: научные итоги 2016 года в Красноярске

    ​Ученый и популяризатор науки Егор Задереев подводит традиционные научные итоги года в Красноярске. Премии года Для анализа я использую базу данных научных публикаций Web of Science — самый строгий и признанный во всём мире фильтр качества.
    2660
  • 14/06/2018

    Наночастицы нитрида титана повысят производительность оптоволоконных линий связи

    Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) совместно с коллегами из Сибирского федерального университета, Сибирского государственного университета науки и технологий им.
    1741
  • 09/07/2020

    Исследователи выяснили, почему в составе планет Солнечной системы много железа и магния

    ​​​По данным ученых, легкие химические элементы улетучиваются по мере отвердевания магмы на "зародышах" планет и могут полностью исчезнуть под действием излучения Солнца. Международная группа исследователей с помощью компьютерного моделирования определила причину, по которой в составе планет Солнечной системы преобладают тяжелые химические элементы – железо и магний.
    1026
  • 04/08/2020

    Лето исследований. Сразу несколько экспедиций отправились в Арктику

    Совместный проект ЮНЕСКО и Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова — плавучий университет, научно-исследовательское судно «Академик Николай Страхов» вошло в акваторию Баренцева моря, где более 20 студентов из МГУ и других российских вузов при поддержке Министерства образования и науки России будут изучать перспективы нефтегазоносности этого района.
    645
  • 06/12/2019

    Физики рассказали, как наночастицы повысят эффективность лазеров будущего

    ​Группа российских, шведских и американских ученых доказала необходимость оперировать точными количественными данными при изучении коллективных эффектов в массивах диэлектрических наночастиц. Выяснилось, что качество резонанса, возникающего в массивах с известным количеством частиц (даже в крупных массивах порядка 100×100 единиц), может быть существенно ниже, чем предсказывали расчеты на основе модели бесконечной нанорешетки.
    742
  • 16/01/2019

    Физики изучили влияние взаимодействия между магнитными наночастицами на магнитный гистерезис

    Команда исследователей из Сибирского федерального университета, Института физики имени Л. В. Киренского  СО РАН и Сибирского университета науки и технологий изучила магнитный гистерезис в наногранулированных композитах.
    1192
  • 31/08/2020

    Учёные рассказали, как «упаковать» лекарства внутрь наночастиц

    ​Исследователи из России, Швеции и США изучили оптические свойства металлических нанооболочек атомарного размера и смоделировали резонансные свойства таких структур с использованием оригинальной модели атомарного взаимодействия.
    379
  • 17/04/2020

    Региональный научно-образовательный математический центр будет создан на базе СФУ и Красноярского научного центра СО РАН

    ​На базе Сибирского федерального университета совместно с Институтом вычислительного моделирования СО РАН​ будет создан региональный Научно-образовательный математический центр Восточной Сибири (НОМЦ).
    970
  • 06/08/2020

    Из самой маленькой в мире светящейся молекулы сделали тест на клещевой энцефалит

    ​​Светящийся белок, выделенный из морского рачка Metridia longa, самый маленький из открытых биолюминесцентных ферментов, был впервые использован учеными в тестах на клещевой энцефалит. Одного миллиграмма такого белка может хватить для ста тысяч точных анализов по определению наличия вируса клещевого энцефалита.
    701