В состоянии дефекта: наночастицы определят болезни по отдельным молекулам
В России разработали технологию получения высокоэффективных наносенсоров на основе частиц диселенида палладия. Такие структуры способны распознавать отдельные молекулы, что открывает возможности для выявления примесей в материалах, а также биомаркеров заболеваний, например в образцах крови. Кроме того, соединения на основе селена и палладия могут применяться в системах обеззараживания воды. Под воздействием солнечного света они разлагают органические загрязнители в 50 раз эффективнее существующих аналогов. Разработка перспективна для промышленного внедрения, отметили опрошенные «Известиями» эксперты, но предстоит решить вопросы воспроизводимости технологии и экономической эффективности.
Как беспорядок наделил вещество новыми свойствами
Ученые Московского физико-технического института, Объединенного института ядерных исследований, а также ряда российских и зарубежных научных центров получили наночастицы, которые могут использоваться в качестве сверхчувствительных сенсоров.
Разработка может стать основой для создания устройств, распознающих отдельные молекулы в исследуемом образце. В частности, технология позволит выявлять микроскопические примеси в сверхчистых материалах или обнаруживать ранние маркеры заболеваний в капле крови. Об этом «Известиям» сообщили в Минобрнауки России.
— Изначально диселенид палладия — это слоистый двумерный кристалл. В естественном состоянии он стабилен и химически инертен, поскольку на поверхности его решетки мало активных центров для взаимодействия с внешней средой. Чтобы вывести материал из «спячки», его поместили в дистиллированную воду и облучили сверхкороткими (фемтосекундными) лазерными импульсами, — рассказал старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Андрей Ушков.
При такой обработке температура в точке фокусировки лазерного луча достигает нескольких тысяч градусов, из-за чего вещество переходит в состояние плотной плазмы, пояснил он. Затем происходит резкое охлаждение, и атомы не успевают вернуться в исходную кристаллическую решетку, «застывая» в неупорядоченном состоянии. В результате формируются структуры с большим количеством свободных химических связей. Именно они превращают частицы в своеобразные химические «ловушки», способные активно притягивать молекулы из окружающей среды. Таким образом, созданный на атомном уровне хаос придал материалу новые функциональные свойства.
Как наночастицы распознают отдельные молекулы
По словам специалиста, кроме фундаментального значения, исследование имеет большое экономическое значение. Сейчас в мире 80% палладия расходуют на производство автомобильных катализаторов для очистки выхлопных газов, но с переходом на электромобили этот рынок сократится. Новая технология дает возможность получения на базе палладия новых продуктов с высокой добавленной стоимостью. Это выгодно для нашей страны, которая контролирует 40% мировой добычи этого благородного металла.
— В частности, одно из применений синтезированных частиц — ГКР-сенсоры. Это устройства, которые многократно усиливают полезный сигнал за счет гигантского комбинационного рассеяния. Этот эффект позволяет увидеть то, что невозможно распознать обычными приборами, — рассказал Андрей Ушков.
Коммерческие изделия такого рода представляют собой подложки размером в 1 кв. см с наноостровками золота. На такую поверхность помещают каплю исследуемого вещества (например, крови) и считывают спектр. Если в образце есть даже ничтожное количество искомого вещества, прибор это зафиксирует, пояснил специалист.
По его словам, в отличие от традиционных устройств такого типа, обладающих «горячими точками» — участками с максимальным усилением сигнала, — палладиевые наночастицы обеспечивают более равномерное распределение сигнала. Это позволяет проводить диагностику быстрее и точнее.
Также полученные наночастицы способны улавливать свет и запускать химические реакции, которые в обычных условиях не протекают. В частности, они могут захватывать вредные молекулы и разлагать их до безопасных компонентов, что делает технологию перспективной для очистки сточных вод, отметил Андрей Ушков. В эксперименте новые структуры оказались примерно в 50 раз эффективнее, чем диоксид титана, который обычно используют для этих целей.
Кроме того, было установлено, что палладиевые частицы примерно в два раза эффективнее золота преобразуют инфракрасное излучение в тепло. Это открывает перспективы их использования в медицинских технологиях, включая методы локального нагрева при терапии опухолей.
Где еще может быть востребована технология
— Обычный диселенид палладия — перспективный материал электроники, сенсорики и катализа. Его неординарная кристаллическая структура, стабильность на воздухе и другие свойства предопределяют широкую область применения, — сообщил заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» Пензенского государственного университета Игорь Пронин.
До настоящего времени успехи в этом направлении были скромными. Сдерживающим фактором был невысокий коэффициент усиления локального электрического поля, который фактически нивелировал преимущества материала. Однако, как отметил он, ученым удалось «обойти» это ограничение и получить уникальный наноматериал.
— Исследование вписывается в тренд на использование наноструктур с управляемыми нарушениями. Такие дефекты часто увеличивают сенсорную и каталитическую активность, поэтому идея логически обоснована и перспективна, — рассказала «Известиям» научный сотрудник НИЦ «Неорганические наноматериалы» Университета науки и технологий МИСИС Кристина Котякова.
Однако на уровне практического применения важна воспроизводимость эффекта в реальных условиях. По ее словам, основные сложности могут быть связаны с тем, что подобные структуры нестабильны, а их свойства чувствительны к условиям среды и способу синтеза. Также остаются вопросы масштабирования производства, селективности обнаружения конкретных молекул и экономической целесообразности.
— Незавершенные связи повышают реактивность образованных наночастиц. Поэтому новая структура, которая представляет собой разрыхленный кристалл с аморфными участками, обладает намного большей активной поверхностью и может служить катализатором, фильтром, приемником инфракрасного излучения, — объяснил профессор кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ Борис Тимеркаев.
При этом создавать такие наночастицы в промышленном масштабе непросто, добавил он. Палладий — недешевый материал, и фемтосекундный лазер — дорогое оборудование. Поэтому, чтобы технология оказалась рентабельной, нужно предлагать экономически оправданные методы производства.
