Британские исследователи совместно с учеными из Бельгии и США разработали новые структуры чувствительных сенсоров, которые могут быть использованы, например, в системах обеспечения безопасности на транспорте для распознавания отравляющих и взрывчатых веществ. Другим, не менее важным, приложением подобных сенсоров может стать медицина, в частности, для определения протеина в крови пациентов с высокой чувствительностью и точностью.

Работу, которая финансируется Советом по Инженерным и Научным Исследованиям (Engineering and Physical Sciences Research Council), возглавили физики Лондонского Имперского Колледжа (Imperial College London). Исследователи показали, что при соединении двух специфических наноструктур из золота и серебра, можно получить необыкновенно чувствительный сенсор, способный регистрировать отдельные молекулы определенных химических веществ в непосредственной близости от него. Результаты работы опубликованы в интернет-журнале Nano Letters (Fano Resonances in Individual Coherent Plasmonic Nanocavities)

Все из полученных в результате эксперимента наноструктур примерно в 500 раз меньше толщины человеческого волоса и имеют различную форму. Одна из них, например, выглядит как плоский диск, другая – как бублик. Что важно, это взаимодействие этих наноструктур со светом, которое совершенно отличается от поведения каждой из них в отдельности. Ученые определили, что совместно они различным образом рассеивают излучение определенных длин волн в видимом спектре – некоторые длины волн –значительно меньше, а некоторые – наоборот, больше. В результате, излучение определенной длины волны проходит через объединенные наноструктуры практически совершенно без потерь.

Это свойство, по-видимому, зависит от состояния среды в непосредственной близости от наноструктур, как считали сами исследователи, и это подтвердило компьютерное моделирование. Взаимодействие со светом таких систем имеет исключительную чувствительность по отношению к изменениям состояния окружающей среды. По мнению руководителя работ проф. Стефана Мейера (Stefan Maier) из Имперского Колледжа, им удасться систематизировать уникальные свойства полученных наночастиц и их систем с целью создания чувствительных наносенсоров.

Наноструктуры различных металлов исследовались и использовались в качестве сенсоров и раньше, благодаря их высокой степени взаимодействия со светом, которая зависит от так называемых локализованных плазмонных резонансов. В частности, ученые наблюдали ярко выраженные Фано резонансные пики, которые появляются благодаря когерентному соединению двух плазмонных мод в плазмонных нанорезонаторах. Однако, пара наночастиц, которая демонстрирует столь высокочувствительную избирательность, получена впервые.

Хорошо выраженные Фано резонансные отклики, полученные в экспериментах.

Ученые со всей определенностью считают, что такие устройства могут быть специально приспособлены (настроены) на распознавание различных химических веществ путем модификации поверхности наноструктуры с использованием специальных молекулярных ловушек. При этом должно происходить улавливание конкретных молекул, которые и будут изменять длину волны поглощаемого и рассеиваемого сенсором излучения, что, в свою очередь, проявится в изменении цвета датчика.

Проф. Мейер отмечает, что полученный результат является ярким свидетельством плодотворного сотрудничества физиков различных специальностей, и по значимости его можно сравнить со знаменитой аналогией – прозрачностью, индуцированной электромагнитным облучением – знаменитым явленим из области квантовой механики.

Евгений Биргер