Физики научились контролировать рост наночастиц

Представьте, что ученые собирают материал как конструктор, где свойства можно «заказать»: сделать частицы меньше или больше. Конечно, на наноуровне это работает не так просто: иногда разница всего в несколько нанометров полностью меняет поведение вещества. Ученые Южного федерального университета разработали метод контролируемого синтеза люминесцентных наночастиц фторида лантана, легированных редкоземельными элементами. Проще говоря, исследователи научились выращивать светящиеся наночастицы с заранее заданными характеристиками и управлять их свойствами прямо в процессе синтеза. В результате удалось получить однородные гексагональные нанопризмы размером от трех до 100 нанометров и научиться менять их параметры через условия получения материала. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Today Nano.

По словам исследователей, такие материалы особенно перспективны для биомедицины, сенсоров, сцинтилляционных детекторов и фотонных устройств. Например, наночастицы размером 10–30 нанометров могут использоваться как люминесцентные маркеры или наносцинтилляторы для регистрации рентгеновского излучения.

Но получить наночастицы заданного размера –– сложная задача. Они крайне чувствительны даже к мельчайшим изменениям условий.

«Даже небольшие изменения температуры, концентрации реагентов или скорости их добавления существенно влияют на скорость роста и могут вызвать «взрывную» нуклеацию новых частиц вместо равномерного роста, существующих», –– рассказал Олег Положенцев.

Особенно трудно контролировать частицы размером 3–30 нанометров. Именно в этом диапазоне может меняться электронная структура материала, растет химическая активность, а свойства уже определяются не столько объемом вещества, сколько поверхностью частиц.

Ученые называют диапазон 3–100 нанометров «золотой зоной» наноматериалов. До 10 нанометров особенно сильно проявляются квантовые эффекты, а в диапазоне 10–100 нанометров возникает оптимальный баланс между люминесценцией, магнитными свойствами и стабильностью.

Чтобы научиться управлять ростом частиц, исследователи изменяли сразу несколько параметров синтеза: температуру реакции, pH раствора, тип растворителя, концентрацию реагентов и поверхностно-активных веществ.

«Температурный режим, время, концентрации реагентов и ПАВ, а также скорость подачи и смешения — это главные “ручки”, которыми можно точно подбирать размер наночастиц», — отмечает Олег Положенцев.

Олег Положенцев — к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Международной исследовательской лаборатории функциональных наноматериалов МИИ ИМ ЮФУ / © Личный архив Центра общественных коммуникаций ЮФУ

В ходе работы ученые выяснили, что повышение температуры действительно увеличивает размеры частиц, однако рост не продолжается бесконечно. Через некоторое время система стабилизируется, и для дальнейшего роста приходится снова менять условия синтеза — например, повышать температуру или корректировать кислотность среды.

Исследование показало, что размер частиц, а также тип и концентрация легирования напрямую влияют на свойства материала: при оптимальном легировании более крупные наночастицы демонстрируют более яркую люминесценцию, тогда как уменьшение размеров способствует повышению каталитической и биологической активности.

«Можно целенаправленно менять оптические, магнитные и каталитические свойства, просто подбирая нужный размер частиц», — подчеркивает исследователь.

Схематическое изображение механизма роста гексагональных нанопризм LaF3, легированных ионами Ln3+ с контролируемым размером, показывающее результирующую морфологию частиц, изменение размеров и зависимость средней величины частиц от параметров синтеза / Личный архив Олега Положенцева

Для усиления свечения ультрамалых частиц ученые предложили структуру типа «ядро–оболочка». Внутри такой наночастицы находится активное люминесцентное ядро, а сверху — защитная оболочка.

«Оболочка помогает подавлять безызлучательные каналы, уменьшает перенос энергии к поверхности и увеличивает квантовый выход люминесценции», — обратил внимание Олег Положенцев.

Кроме того, ученые исследовали влияние размеров на каталитические свойства частиц. Хотя работа напрямую не связана с водородной энергетикой, исследователи отмечают, что подход к управлению размером и структурой наночастиц может быть полезен при создании новых фото- и электрокаталитических систем.

Метод был разработан и протестирован на соединениях лантана — одном из наиболее перспективных материалов для фотоники благодаря его оптическим свойствам и способности эффективно взаимодействовать с редкоземельными ионами. При этом предложенный подход можно адаптировать и для других редкоземельных материалов — фторидов, оксидов и оксифторидов, используемых в современной фотонике и нанотехнологиях.