Цифровые двойники упростят поиск оптимальных наночастиц для фотоники

Ученые БФУ имени Иммануила Канта разработали математический алгоритм для точного расчета оптических свойств наночастиц серебра разной формы. С помощью такого инструмента авторы создали цифровые двойники наночастиц, которые показывают, как реальные образцы будут взаимодействовать со светом. Ранее узнать подобные характеристики можно было только в результате дорогостоящего и трудоемкого лабораторного синтеза. Разработка будет полезна при создании высокочувствительных оптических сенсоров на основе таких наночастиц, в том числе систем ранней диагностики заболеваний и терапевтического мониторинга лекарственных препаратов в биологических жидкостях человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Optical and Quantum Electronics.

Наночастицы серебра благодаря антимикробным свойствам используют в медицине при лечении инфекций, в системах доставки лекарств и покрытиях костных имплантатов. В промышленности они применяются в составе материалов для электроники, очистки воды и воздуха. При этом для разных задач нужны наночастицы с индивидуальными свойствами, например формой, размером, той или иной способностью взаимодействовать со светом. Подбирать такие характеристики обычно приходится экспериментально — синтезируя реальные образцы. Это довольно дорогой и трудоемкий процесс, поэтому исследователи ищут ему альтернативы.

Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) разработали математический алгоритм, который позволяет определять свойства наночастиц серебра разных размеров и форм без изготовления реальных образцов.

С помощью нового математического инструмента авторы смоделировали поведение частиц серебра разных размеров и форм (в виде сфер, цилиндров, игл и звезд) в вакууме и в воде — жидкости, которую чаще всего используют в качестве среды для химического синтеза. Алгоритм позволил определить, как наночастицы взаимодействуют со светом ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов: насколько эффективно они поглощают, рассеивают и в результате усиливают или ослабляют разные длины волн.

Оказалось, что каждая форма наночастиц обладает уникальными оптическими «отпечатками пальцев». Авторы отметили, что наноиглы и нанозвезды концентрируют световую энергию на острых концах. Благодаря этому их проще всего «настроить» на усиление света в ближнем инфракрасном диапазоне.

«Предложенный алгоритм упрощает проектирование наноматериалов для материаловедческих и биофизических задач: теперь, чтобы получить частицу с заданными свойствами, не придется синтезировать десятки образцов разных размеров и форм. Это не только сэкономит время и ресурсы, но и позволит создавать сложные наноустройства, которые раньше было практически невозможно разработать методом проб и ошибок. Наша работа не была бы возможна без поддержки математического центра имени Софьи Ковалевской и активной работы наших аспирантов, которые досконально и глубоко разобрались с темой. Очень важно в дальнейшем направить результаты математических расчетов и данные, полученные по исследуемым моделям, в практическую плоскость», — рассказывает Андрей Зюбин, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией математического моделирования оптических свойств наноматериалов НОМЦ имени Софьи Ковалевской, старший научный сотрудник НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника» БФУ имени Иммануила Канта.