КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-22-00152
НазваниеФункциональные покрытия варьируемой морфологии на основе наночастиц максенов и дихалькогенидов переходных металлов
Руководитель Завидовский Илья Алексеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые слова Максены, дихалькогениды переходных металлов, наночастицы Si@Ag и Si@Au, микромеханические дозаторы, плазмонные свойства, компоненты электронных схем.
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время разработан ряд методик, позволяющих получать покрытия на основе максенов и дихалькогенидов переходных металлов (TMDs). К числу таких методов относятся ряд химических техник синтеза, которые применяются для осаждения покрытий в сочетании с эксфолиацией, drop-casting и осаждением при помощи центрифугирования (spin coating). Тонкие пленки, изготавливаемые при помощи данных методов, находят свое применение в качестве фотодетекторов и пьезооптических устройств [1], а также в качестве электрохимических накопителей энергии и фильтрационных мембран [2]. При этом фрагменты максенов, диспергируемые при помощи предложенных методик, в существенной мере пассивированы -F и -OH-группами, что в существенной мере оказывает влияние на их свойства [2]. В то же время, упомянутые методики создания пленок на основе данных материалов позволяют формировать лишь сплошные покрытия. Для получения структур с заданной геометрией, которые могли бы играть роль, например, дорожек печатных плат или аналогов лунок микротитрационных планшетов для химического сенсинга, в рамках данных методик необходимо применение дополнительных методов, таких, например, как литография или травление слоев через маски.
В рамках настоящего проекта предполагается оптимизация метода лазерной абляции твердых мишеней в жидких средах для создания коллоидных растворов с диспергированными наночастицами максенов, дихалькогенидов металлов переходных групп или наночастицами Si@Ag типа «ядро-сателлит»; разработка метода осаждения полученных растворов при помощи микромеханических дозаторов; а также комплексная характеризация полученных покрытий. Сочетание технологий лазерной абляции и осаждения растворов при помощи дозаторов позволит сформировать наночастицы, очищенные от примесей, и изготовить на их основе покрытия заданной геометрии и размеров, которые могут быть нанесены на различные подложки. Предполагается оптимизировать параметры изготовления растворов и осаждения покрытий таким образом, чтобы обеспечить эффективность их использования в качестве подложек для реализации эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), а также в качестве электропроводящих цепей – компонент электрических схем, и оценить применимость полученных покрытий в данных приложениях. Также планируется проведение моделирования оптических свойств изготовленных материалов.
Актуальность решения представленной научной проблемы связана с возрастающим интересом к структурам на основе максенов и TMDs и их приложениям в качестве электронных и оптоэлектронных компонент [3, 4], а также к применению максенов в качестве ГКР-активных подложек (подложек для поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии) [5]. Возможность применения «pen-on-paper» подходов нанесения покрытий, ранее применявшихся главным образом для ГКР-активных подложек на основе металлических наночастиц [6, 7], позволит существенно упростить процесс создания электронных и плазмонно-активных компонент на основе новых, в том числе двумерных, материалов.
[1] S. Aftab, H.H. Hegazy, Small. 19 (2023) 2205778. https://doi.org/10.1002/smll.202205778.
[2] X. Li, F. Ran, F. Yang, J. Long, L. Shao, Trans. Tianjin Univ. 27 (2021) 217–247. https://doi.org/10.1007/s12209-021-00282-y.
[3] N.K. Chaudhari, H. Jin, B. Kim, D.S. Baek, S.H. Joo, K. Lee, J. Mater. Chem. A. 5 (2017) 24564–24579. https://doi.org/10.1039/C7TA09094C.
[4] S.J. McDonnell, R.M. Wallace, Thin Solid Films. 616 (2016) 482–501. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.08.068.
[5] A. Sarycheva, T. Makaryan, K. Maleski et al., J. Phys. Chem. C. 121 (2017) 19983–19988. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b08180.
[6] L. Polavarapu, A.L. Porta, S.M. Novikov, M. Coronado-Puchau, L.M. Liz-Marzán, Small. 10 (2014) 3065–3071. https://doi.org/10.1002/smll.201400438.
[7] J.M. Romo-Herrera, K. Juarez-Moreno, L. Guerrini, Y. Kang, N. Feliu, W.J. Parak, R.A. Alvarez-Puebla, Materials Today Bio. 11 (2021) 100125. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100125.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В первый год реализации проекта «Функциональные покрытия варьируемой морфологии на основе наночастиц максенов и дихалькогенидов переходных металлов» достигнуты научные результаты, сосредоточенные на синтезе, аттестации и анализе оптических свойств наночастиц (НЧ).
Синтез наночастиц: Разработаны оптимизированные методы синтеза НЧ максенов и дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) с использованием лазерной абляции в различных средах. Изготовлены коллоидные растворы гибридных НЧ Ti3C2-Ag и MoS2-Au.
Аттестация структуры: Структурные характеристики полученных НЧ аттестованы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Все полученные результаты находятся в соответствии с литературными данными и подтверждают получение наночастиц, в которых сохраняется структура «родительского» материала максенов и ДПМ.
Моделирование оптических свойств: Проведена экспериментальная и теоретическая аттестация оптических свойств растворов НЧ. Для моделирования разработан подход на основе метода конечных элементов, реализованный на базе Comsol Multiphysics. Показана высокая степень согласованности экспериментальных и расчетных данных.
Центрифугирование и осаждение: Оптимизированы режимы центрифугирования для концентрирования НЧ, что позволяет получить растворы с нужной вязкостью для эффективного использования в микродозаторах. Установлены оптимальные протоколы нанесения «плазмонных чернил» на подложки при использовании различных типов микродозаторов.
Гигантское комбинационное рассеяние (ГКР): Проведен анализ ГКР-активности максенов, показана высокая чувствительность ГКР-сенсора на основе Mo2TiC2. Установлена взаимосвязь между присутствием в структуре остаточных фрагментов прекурсора, оксидированием материала и изменением его ГКР-активности со временем.
Публикации
1.
Нуриахметов И.Ф., Завидовский И.А., Хайдаров А.А., Савченко Н.Ф., Татаринцев А.А., Дремов В.В., Стрелецкий О.А.
Carbonized polyvinylidene difluoride films irradiated by variable-energy Ar+: Tunable morphology and resistive sensing
JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B, Nuriahmetov, I.F.; Zavidovskiy, I.A.; Khaidarov, A.A.; Savchenko, N.F.; Tatarintsev, A.A.; Dremov, V.V.; Streletskiy, O.A. Carbonized Polyvinylidene Difluoride Films Irradiated by Variable-Energy Ar+: Tunable Morphology and Resistive Sensing. Journal of Vacuum Science & Technology B 2024, 42, 043401, doi:10.1116/6.0003657. (год публикации - 2024)
10.1116/6.0003657
2.
Завидовский И.А., Белозерова Н.М., Сюй А.В., Якубовский Д.И., Зимбовский Д.С., Капитанова О.О., Целиков Г.И., Неволин В.Н., Фоминский В.Ю., Арсенин А.В., Большаков А.Д., Новиков С.М.
Гигантское комбинационное рассеяние структур на основе трехкомпонентного MXene Mo2TiC2-Ox
Перспективные материалы, Перспективные материалы 2024 № 12 (год публикации - 2024)
10.30791/1028-978X-2024-12-5-15
3. Завидовский И.А., Белозерова Н.М., Самоделова М.В., Афонюшкина Е.Ю., Казанцев И.С., Дюбо Д.В., Капитанова О.О., Веселова И.А., Арсенин А.В., Новиков С. ГКР-подложки варьируемой морфологии на основе «плазмонных чернил» AgNP/GO ТРУДЫ 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ (год публикации - 2024)
4. Завидовский И., Белозерова Н., Татмышевский М., Целиков Д.И., Тихоновский Г.В., Савинов М.С., Созаев И.В., Попов А.А., Климентов С.М., Кабашин А.В., Арсенин А., Новиков С. SERS performance of plasmonic inks based on laser-ablated layered-material/gold hybrids Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)», Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)» (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на разработку новой платформы высокочувствительных гибридных сенсоров для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) на основе низкоразмерных наноматериалов. В отчетном периоде были решены задачи по созданию и оптимизации функциональных «плазмонных чернил», разработке методов их контролируемого нанесения на различные подложки, комплексному исследованию аналитических характеристик получаемых сенсоров и оценке их прикладного потенциала для детектирования биологически значимых молекул.
В рамках проекта разработан и оптимизирован метод синтеза наночастиц и гибридных наноструктур «ядро-сателлит» на основе двумерных материалов (включая MXene и дихалькогениды переходных металлов) и благородных металлов с использованием фемтосекундной лазерной абляции в жидкости. Полученные наночастицы были сконцентрированы в стабильные коллоидные растворы, пригодные для использования в качестве «чернил» в микродозаторах. Разработаны и исследованы протоколы создания сенсоров путем нанесения чернил на различные подложки.
Установлено, что усиление сигнала в разработанных сенсорах имеет комбинированную природу: оно обусловлено как электромагнитным механизмом (за счет плазмонных наночастиц металла), так и химическим механизмом, связанным с эффективным зарядовым переносом между поверхностью двумерного материала и молекулой аналита. Это подтверждается линейным характером полученных калибровочных зависимостей, открывающим возможности для количественного анализа.
Отдельным направлением работ стала разработка метода формирования микроструктурированных углеродных подложек с контролируемой морфологией с помощью капиллярного дугового разряда в различных атмосферах. Подобраны режимы обработки, обеспечивающие создание поверхности с оптимальной топографией для равномерного нанесения и диспергирования функциональных чернил.
Результаты работы были представлены на международной конференции «Fundamentals of Laser-Assisted Micro- and Nanotechnologies (FLAMN-25)» и 67-й Всероссийской научной конференции МФТИ. Результаты проекта опубликованы в рецензируемых международных журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science (Inorganic Materials: Applies Research; Surfaces; C – Journal of Carbon Research (БС1)). Итоги проекта освещены в ведущих научно-популярных изданиях (Naked Science, ТАСС Наука, «За науку»). Разработанные прототипы сенсоров были представлены на крупных научно-технических форумах: выставке «Фотоника-2025» (Москва) и V Конгрессе Молодых Ученых (Сочи).
Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе реализации проекта, обладают значительным потенциалом для практического применения и формируют важный научно-технологический задел для Российской Федерации в области сенсорики, аналитического приборостроения и биомедицинской диагностики. Их внедрение способно обеспечить экономический рост и социальное развитие через создание новой высокотехнологичной продукции и импортозамещающих технологий.
1. Формирование научно-технологического задела и создание новых технологий:
• Разработана новая технология синтеза гибридных наноматериалов для ГКР-сенсорики, основанная на методе лазерной абляции в жидкостях. Эта технология является альтернативой химическим методам синтеза и позволяет получать материалы с воспроизводимыми и контролируемыми свойствами.
• Создана оригинальная методология изготовления готовых сенсорных элементов («плазмонные чернила») и их нанесения с использованием недорогих микродозаторов. Данный подход существенно упрощает и удешевляет процесс производства сенсоров по сравнению с традиционными методами литографии или вакуумного напыления, открывая путь к массовому выпуску одноразовых тест-систем.
2. Создание основы для новой или усовершенствованной продукции:
• Прототипы высокочувствительных ГКР-сенсоров на основе гибридных наноматериалов могут стать основой для разработки коммерческих продуктов:
o Экспресс-тесты для биомедицинской диагностики: Портативные сенсоры для неинвазивного мониторинга биомаркеров (например, глюкозы, мочевой кислоты, гормонов) в слюне, моче или поте. Это отвечает глобальному тренду на персонализированную медицину и домашний мониторинг здоровья.
o Системы экологического контроля: Сенсоры для детектирования следовых количеств загрязнителей (пестицидов, тяжелых металлов, токсичных органических соединений) в воде, почве и воздухе.
o Системы безопасности: Устройства для экспресс-обнаружения наркотических, взрывчатых веществ или опасных химикатов в полевых условиях.
• Разработанные «плазмонные чернила» могут быть подготовлены к реализации как самостоятельный коммерческий продукт.
3. Импортозамещение и развитие отечественной компонентной базы:
• Проект способствует снижению зависимости от зарубежных аналогов в области высокочувствительной аналитики и сенсорных материалов. Разработанная платформа использует отечественное лазерное оборудование и предлагает альтернативу импортным сенсорным ГКР-сенсорам на основе золота и серебра.
• Технология позволяет создавать портативные анализаторы на базе российских спектрометров (Фотон-БИО, enSpectr), стимулируя развитие смежных отраслей.
4. Социальный эффект:
• В здравоохранении: Создание доступных, быстрых и неинвазивных методов диагностики биожидкостей способствует раннему выявлению заболеваний (например, диабета), повышению качества жизни пациентов и снижению нагрузки на систему здравоохранения.
• В экологии: Обеспечение возможности оперативного и массового мониторинга состояния окружающей среды ведет к повышению экологической безопасности и улучшению качества жизни населения.
• В сфере безопасности: Разработка эффективных средств экспресс-детектирования способствует повышению уровня общественной и антитеррористической безопасности.
Таким образом, результаты выполнения проекта формируют конкурентоспособный научно-технический задел для инновационного развития России в стратегически важных областях. Разработанная технология имеет четкую рыночную перспективу и может быть положена в основу создания новой линейки отечественной аналитической продукции – от расходных сенсорных элементов до готовых диагностических систем, что соответствует целям технологического суверенитета и социального развития страны.