Профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Рауль Родригес разрабатывает уникальную методику измерения оптического поглощения материала в разных диапазонах видимого света с разрешением в четыре нанометра. На сегодняшний день это наименьшее разрешение в измерении оптического поглощения во всем мире. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics (IF: 6,756; Q1).

При изучении оптических свойств наноструктур, даже при использовании самого мощного в мире микроскопа, можно получить разрешение лишь в сотни нанометров. Но в уникальном методе Рауля Родригеса и его команды впервые доказано, что в оптическом диапазоне возможно добиться и четырех нанометров — на сегодняшний день это рекордный предел разрешения в измерении оптического поглощения.

«С помощью органических солнечных батарей можно получать электроэнергию просто покрасив крышу дома специальной чувствительной краской. Но у таких батарей есть проблемы с эффективностью и стабильностью. Для того чтобы разобраться, что происходит у них на молекулярном уровне, на уровне полимеров, необходимо измерить распределение абсорбции для разных длин волн. С наноразрешением это можно сделать как раз благодаря нашему методу»,

 — объясняет Рауль Родригес.

Метод ученых основан на использовании кантилеверов для атомно-силовой микроскопии. Зонд — игла на конце кантилевера с радиусом пять-восемь нанометров (для сравнения, размер одной базы ДНК — два нанометра) — подводится близко к образцу, и между ними происходит притяжение или отталкивание. В результате взаимодействия изменяется амплитуда колебаний кантилевера. В таких условиях микроскоп способен сканировать и показывать трехмерную картину поверхности.

Но кроме формы этой поверхности необходимо измерить и ее оптические свойства. Для этого команда Родригеса использует лазерное излучение. Если материал его поглощает, то тот начинает нагреваться и термически расширяться. Поскольку такое расширение очень маленькое, для его измерения необходим чувствительный метод атомно-силовой микроскопии, который позволяет увидеть даже изменение высоты в один атом.

«Чтобы это технически реализовать, мы используем несколько дополнительных "трюков". Например, лазер модулируется на резонансной частоте зонда. Это значит, что свет включается и выключается с такой же частотой, с которой осциллирует (качается) зонд. Тогда наш материал начинает пульсировать на частоте лазера, зонд усиливает пульсацию объекта за счет резонансных эффектов, и она становится достаточно большой для того, чтобы ее измерить», — рассказывает политехник.

Отметим, что зонды в рамках данного исследования изготавливаются из золота — это принципиально из-за оптических свойств металла. На кончике зонда происходит дополнительное усиление лазерного света, и игла очень быстро и эффективно нагревается.

 

Иллюстрация принципа работы метода: золотой кантилевер с иглой-зондом освещается модулируемым лазерным излучением. В результате углеродные нанотрубки (черные) на стекле (SiO) термически расширяются, изменяя амплитуду колебаний кантилевера. Справа снизу: результат измерений на границе разледа нанотрубки-стекло.

Исследование проводится Раулем Родригесом совместно с командой ученых — профессором Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Евгенией Шеремет, приглашенными зарубежными экспертами Терезой И. МадеиройЕвгением БорщаговскимАшутошем МухерджиМихаэлем ХитчхольдомДитрихом Р.Т. Цаном и иностранными студентами.

Идея проекта появилась в 2012 году, когда компания Anasys разработала метод измерения абсорбции в инфракрасном диапазоне с наноразрешением. Он основан на похожем методе, что и метод политехников, но работает в другом спектральном диапазоне.

«Метод Anasys — это огромный шаг в науке, особенно в органике и биологии, потому что теперь можно визуализировать химических состав веществ на поверхности в нанодиапазоне. Но ни они, ни другие ученые мира не работали в оптическом диапазоне. Мы решили, что можем это сделать первыми»,

— отмечает Евгения Шеремет.

Команда начала работать в рамках гранта SMINT FOR 1713 (Sensoric Micro- and Nanosystems) — большой программы, финансируемой немецким исследовательским сообществом (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG). Ученым проекта были необходимы методы для исследования наноэлектрониики на основе углеродных нанотрубок. Так, команда Родригеса исследовала транзисторы и контакты методом TERS (tip-enhanced Raman spectroscopy), а потом стала частью COST Action MP1302 — европейской сети ученых, которые работают в области наноспектроскопии, взаимодействуют с лучшими учеными мира, приглашают их в свои лаборатории.

«Благодаря COST Action нам удалось собрать команду экспертов в теоретической и инженерной областях разработки методики и сделать такую установку в Хемнице, в Германии. Результаты, представленные в статье, были получены именно там. Сейчас, приехав в ТПУ, мы собираем ресурсы, чтобы воссоздать и развить эту методику в университете. Это будет уникальная и единственная методика в мире,

— подчеркивает Евгения Шеремет. — На сегодняшний день мы показали возможности разрешения, и теперь нам нужно исследовать эффекты оптического поглощения и теплопроводности. Надеемся, в этом нам помогут эксперты из Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ, у которых есть оборудование и экспертиза, необходимые для данных исследований».

Полное содержание публикации Рауля Родригеса и его команды можно посмотреть здесь

Похожие новости

  • 01/07/2016

    Томские ученые создают аппарат для гемодиализа размером с наручные часы

    ​Исследователи Томского государственного университета научились изменять свойства цеолитов и планируют в течение года создать новый материал для гемодиализного портативного устройства. Возможно, уже через два года у пациентов появится возможность делать процедуру в домашних условиях и путешествовать.
    1848
  • 07/10/2016

    Новосибирские ученые изготовят блоки аэрогеля для эксперимента

    ​Специалисты Института ядерной физики СО РАН и Института катализа СО РАН изготовят блоки аэрогеля для эксперимента CLAS12 Национальной лаборатории Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility, США, Вирджиния).
    1122
  • 07/11/2017

    ТПУ и Токийский столичный университет будут развивать перспективные направления сотрудничества

    ​Перспективные направления сотрудничества Томского политехнического университета и Токийского столичного университета (Tokyo Metropolitan University) обсудили в пятницу представители двух вузов. С рабочим визитом Томский политех посетили вице-президент по международным связям токийского вуза Такая Охаши и координатор международного сотрудничества Сатоми Сузуки.
    487
  • 12/10/2016

    Томские ученые испытывают новые стекла для космических спутников

    ​Сотрудники НИИ ПММ ТГУ проводят испытания покрытий, созданных для защиты иллюминаторов, линз и зеркал космических аппаратов от эрозии. При помощи легкогазовой баллистической установки экспериментальные образцы обстреливают микрочастицами порошка железа со скоростью 5-8 километров в секунду.
    1532
  • 13/09/2018

    Физики научились следить за пучками частиц, не замедляя их

    ​Международный коллектив ученых, в который вошли исследователи из Томского политехнического университета, добился прямого наблюдения так называемого дифракционного излучения Вавилова — Черенкова в видимом диапазоне.
    117
  • 31/05/2018

    ​Ученые ТПУ улучшат разрешение оптических микроскопов

    ​Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Бангорского университета (Великобритания) предложили способ улучшить разрешение оптических микроскопов, работающих в режиме «на отражение», то есть способных визуализировать материалы, не пропускающие свет.
    200
  • 11/04/2017

    Томские ученые в ЦЕРНе сузили зону поиска частицы-посредника между видимой и невидимой Вселенной

    ​Ученым Физико-технического института Томского политехнического университета и их коллегам из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) за год удалось примерно на 25% сузить зону поиска темного фотона — частицы-посредника между видимым миром и темной материей — невидимой частью нашей Вселенной, влияющей на движение звезд и галактик.
    838
  • 17/03/2017

    Ученые ТГУ предложили свой способ снижения веса самолетов

    Ученые Томского государственного университета разработали специализированное покрытие, благодаря которому на 30 и более процентов можно уменьшить вес летательных аппаратов. Созданная в ТГУ технология не имеет в России аналогов и позволит снизить расходы на запуск и эксплуатацию аэрокосмической техники.
    1037
  • 29/06/2018

    Как ученые ТПУ помогают искать жизнь во Вселенной

    ​Исследование межзвездной среды, поиск экзопланет, изучение Солнечной системы - все это происходит в основном в лабораториях, где обрабатываются данные с межпланетных космических станций или мощных телескопов.
    215
  • 11/10/2016

    Алмазы, выращиваемые в ТПУ, могут быть использованы для Большого адронного коллайдера

    ​Ученые лондонского университета Роял Холлоуэй (Royal Holloway, University of London, RHUL) предложили разработать новые датчики для Большого адронного коллайдера на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в Томском политехническом университете.
    1345