«Наука в Сибири»
№ 16 (2651)
17 апреля 2008 г.
ВРЕМЯ ОТКЛИКА
Осенью этого года Институт автоматики и электрометрии СО РАН как головная организация должен представить заказчику — Федеральному агентству по науке и инновациям — результаты научно-исследовательской работы «Исследование и разработка методов получения упорядоченных наноструктурированных пленок, основанных на процессах самосборки ансамблей коллоидных наночастиц и наноструктур». Работа по государственному контракту выполняется в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».
Галина Шпак, «НВС»
Интересно, что именно с конца 2006 года Федеральное агентство по науке и инновациям издает специализированный журнал «Российские нанотехнологии», и в его первом номере была опубликована статья А. И. Плеханова, Д. В. Калинина, В. В. Сердобинцевой «Нанокристаллизация монокристаллических пленок опала и пленочных опаловых гетероструктур».
Тематика контракта перекликается с результатами исследований, представленными в этой научной статье.
Ясно, что большая конкретная задача поставлена с учетом использования «золотого запаса» науки и соответствующих интеграционных проектов СО РАН, иначе ее не решить в установленный жесткий срок — два года. За это время требуется разработать научные основы жидкофазных технологий формирования наноструктурированных пленок с заданными функциональными характеристиками, базирующихся на процессах самосборки коллоидных наночастиц. Эти исследования и разработки направлены в конечном итоге на создание чувствительных химических и биологических сенсоров различного применения: отдаленного и динамического экологического контроля, медицинской диагностики, производственной безопасности, раннего предупреждения биологической и химической атак.
 |
Выполняется контракт научным консорциумом, в рамках которого сотрудничают институты Автоматики и электрометрии, Геологии и минералогии, Органической химии, Новосибирский государственный университет и Центр трансфера технологий СО РАН. Руководит ответственной работой заведующий лабораторией физики лазеров ИАиЭ СО РАН д.ф.-м.н. Александр Иванович Плеханов.
Подобные заказные работы — «исследования с целью» да еще за хорошие деньги — даже на первый взгляд не кажутся побочной тематикой академической лаборатории.
Наука в принципе занимается причинами явлений, но суть в том, что важно получить новые материалы на основе новых физических эффектов. В резюме этой разработки выделены ключевые слова: монодисперсные сферические частицы кремнезема, фотонные кристаллы, функциональные органические молекулы, модификация диоксида кремния.
Фотонные кристаллы и органические молекулы
— Весь смысл проекта госконтракта связан с тем, чтобы на базе фотонно-кристаллических структур создать некие функциональные устройства или, по крайней мере, подойти к технологии создания таких устройств, — сказал в нашей беседе А. Плеханов. — Все нанотехнологии требуют усилий химиков, физиков, материаловедов, и мы неизбежно должны вступать с ними в контакт.
— Александр Иванович, как бы вы определили популярно, что такое наноструктуры? На ваш взгляд.
— Существует несколько определений. В основном это структуры, размеры которых не превышают сотни нанометров. Их свойства определены собственной размерностью. Условно говоря, можно начинать «сверху вниз»: брать большой кусок и молоть его до мелких размеров. А можно идти «снизу вверх», т.е. начинать с атомов и молекул и получить некие структуры. Соответствующие приборы уже существуют. Например, атомно-силовой микроскоп. С его помощью можно «иголочкой» собрать атомы в кучку и таким образом структурировать их. Но если мы хотим создать действительно жизнеспособную нанотехнологию, какой-то новый материал, то придется подумать, насколько это затратно.
 |
| Магистрант НГУ Анатолий Бакиров исследует люминесцентные свойства фотонно-кристаллических гетероструктур. |
Собирание в кучку атомов — трудоемкое дело. Очень много времени требуется, чтобы подобные структуры поставить на поток. Чтобы ускорить сроки реализации, нужно выбрать такие объекты, которые преобразуются, как в природе, на основе самосборки: из молекул появляются некие структуры, обладающие определенным качеством. Благодаря сотрудничеству с лабораторией кандидата наук Владимира Владимировича Шелковникова из Института органической химии мы уже лет пятнадцать работаем над созданием упорядоченных агрегатов органических молекул. Есть такой класс цианиновых красителей, обладающих специфической особенностью: при больших концентрациях молекулы теряют свою индивидуальность и образуют некую упорядоченную структуру, так называемые J-агрегаты. Свое название они получили от имени английского ученого Эдвина Джелли (Edwin Jelley), который еще в 30-х годах прошлого века обнаружил новое явление. Когда он экспериментировал, увеличивая концентрацию красителя в растворе, неизменно появлялись хлопья! Исследуя эти образования, он неожиданно обнаружил, что в спектре поглощения возникает очень узкая полоса, не характерная для отдельной молекулы. Оказалось, что образуется упорядоченная структура, напоминающая колоду карт либо кирпичную кладку. Такие комплексы органических красителей обладают коллективными оптическими и нелинейно-оптическими свойствами. Химики могут готовить свои образцы либо в растворах, либо на стеклах, но для практики предпочтительнее тонкие пленки. Однако для получения стабильных пленок оптического качества нужно постараться, поскольку органика неустойчива по сравнению с неорганическим веществом.
Химики синтезировали соответствующие органические молекулы и получили упорядоченные наноагрегаты в тонких твердых пленках. А наша задача — с помощью лазеров исследовать оптические и нелинейно-оптические свойства этих органических структур. С химиками мы обсуждали, каким образом можно получать устойчивые пленки на протяжении длительного времени. В итоге мы получили такие добротные объекты. Оптические пленки фотохимически устойчивы, и под действием лазерного луча они не прогорают. Время релаксации возбужденных состояний J-агрегатов в пленках составляет порядка сотни фемтосекунд. Это очень важно, допустим, для применения в тех же лазерах. Пленки J-агрегатов можно вставлять внутрь резонатора лазера, чтобы получить режим сверхкоротких лазерных импульсов. Результаты работы опубликованы в ряде зарубежных и российских журналов. Кроме того, наши результаты вошли в перечень основных достижений РАН за 2005 год.
Напомню, что исследованием молекулярных агрегатов мы начали заниматься, когда на такие работы еще не обращали внимания. Наши исследования совпали по времени с первыми работами на Западе. Это был 1991 год. Мы опубликовали свои результаты по нелинейно-оптическим свойствам J-агрегатов в «Письмах в ЖЭТФ» практически одновременно с работой питерцев. А потом пошло, как снежный ком… В США, Японии выходят интересные работы. На наши публикации до сих пор ссылаются, приглашают на конференции по исследованию упорядоченных наноструктур. Органические материалы стали играть ключевые роли для применений в фотонике и электронике. Обладая большей возможностью и гибкостью молекулярного дизайна они позволяют получить заданные ценные физические свойства материалов, чем привлекают исследователей. Тем более, что в химии уже известны более 10 миллионов соединений. А неорганика, тот же кремний — богом заданные структуры, как говорится, и ничего кардинально не изменишь.
Молекулярными агрегатами занимаются и в Москве, в Центре фотохимии РАН. Мы с ними традиционно сотрудничаем. В Институте электрохимии РАН используются J-агрегаты в качестве объектов для создания, например, органических светоизлучающих диодов.
— Что? Их можно использовать как лампы?!
— Уже получены опытные образцы, причем их светимость очень большая. А поскольку это органика, можно варьировать структуру, тем самым изменять длину волны излучения и закрыть весь спектральный диапазон.
Кстати, несколько лет назад сообщалось, что на основе J-агрегатов придумали так называемые «электронные чернила». И вполне возможно, что ваша газета через какое-то время не будет печататься на бумаге. Она превратится в некий чип, а пользоваться такой газетой, можно будет как «флэшкой» или sim-картой. Правда, для такой технологии потребуется доступный дешевый гибкий монитор на основе органических светодиодов в виде листка, который изготавливается по принципу работы струйного принтера. Этот монитор можно легко свернуть и засунуть в карман или в сумку.
— Заманчиво, конечно, но коль скоро зашла речь о нашей газете, скажу, что и журналисты оперативно откликаются на необычные события в научных лабораториях. Именно в 1991 году, в апреле, в «НВС» была опубликована статья «Наноструктура некристаллических тел». И занимались созданием нанокомпозитов в Институте автоматики и электрометрии. Авторы, кстати, получили премию СО АН СССР, и все же ажиотажа не было. Правда, тогда само понятие «наноструктура» еще не вошло в обиход, а конструирование и производство элементов нанометрового размера (в тысячу раз меньше микронного) представлялось фантастичным. А сейчас создается впечатление, что весь мир охватила «золотая лихорадка нано»! Даже на бытовом уровне, рекламируя товар, допустим, зубную пасту, продавец непременно скажет, что это уникальная паста в виде шариков и производится по нанотехнологии…
— Издержки моды, популярности неизбежны, но правда в том, что пришло время разрабатывать новые методики для фундаментальных исследований процессов, включающих, в нашем случае, взаимодействие лазерного излучения с веществом, создавать технологии на новых принципах. Когда появился интерес к фотонно-кристаллическим средам, мы стали работать вместе с геохимиками группы доктора наук Дмитрия Валентиновича Калинина. В Институте геологии и минералогии долгое время занимались коллоидной химией, получали наночастицы кварца, создавали искусственные опалы различного размера для ювелирного дела. Ювелирные опалы радуют глаз радужными переливами. Для ювелира, конечно, важно иметь красивый «цветок». А для физики требуется равномерная окраска, определенный цвет.
— Некоторая упорядоченность?
— Нет, абсолютная упорядоченность, а для этого нужно избавиться от «радуги». Мы пришли к выводу, что надо формировать монокристаллические пленки опала, а для придания им функциональности создавать так называемые гетероструктуры. Исходный материал состоит из кварцевых шариков
— И такие пленки-лазеры уже используются?
— В мире пока ведутся исследования пороговых характеристик такой генерации. На стадии физических исследований. Мы исследуем люминесцентные свойства красителей, помещенных в фотонно-кристаллическую среду. И, таким образом, это одна из задач работы по контракту. Вторая задача — придать функциональность новому материалу, для него необходимо преобразовать, модифицировать поверхность пленки. Нужно прикрепить к ней функциональную молекулу с заданными свойствами, а для этого потребуется другая молекула, так называемый спейсер — одним концом она соединяется с поверхностью шарика, закрепляется, как якорем, а на другой стороне спейсера находится функциональная молекула, которая откликается на воздействие окружающей среды…
— Вы хотите соединить фотонный кристалл и органические молекулы?!
— Ковалентным образом, чтобы этот спейсер ни при каких воздействиях не разрушился. Опалы сами по себе имеют очень много дефектов. Нельзя сказать, что новые объекты на их основе идеальны, но количество трещин в них минимально. И мы вместе с геохимиками несколько опережаем других исследователей. Для заказчика мы эту технологию пропишем поэтапно, пошагово. Построим как бы технологическую карту, чтобы поставить дело на поток. И, естественно, выполнить все сопутствующие требования и условия при создании нового продукта. Контрактная работа сейчас находится на третьем, предпоследнем этапе.
Сейчас вместе с нашими соисполнителями пытаемся получить пленки хорошего качества и исследовать их с помощью различных методик на оптических стендах. Как всегда в таких случаях, в лаборатории занимались разработкой аппаратуры, построили специальный лазер. И программное обеспечение для исследования спектральных характеристик структур у нас на высоте. А дальше можно делать микролазеры, специализированные сенсоры, как указано в контракте. Но это уже задача заказчика — организовать производство.
«Работать, не жалея сил студентов»
В кабинете заведующего лабораторией физики лазеров чего-то не хватало. Привычной грифельной доски! Вместо черной на стене — белая из какого-то особого пластика.
Когда я вошла в кабинет, Александр Иванович разговаривал с молодым сотрудником и быстро что-то рисовал фломастером на этой белой доске. Я, конечно, полюбопытствовала (раньше видела подобные детские альбомы для рисования), насколько удобно такое приспособление, и спросила, если не секрет, что записано на доске, и что завлаб объяснял молодому человеку. Оказалось, что в лаборатории, как обычно, студенты НГУ проходят практику, в основном, будущие бакалавры и магистры. Их сразу вовлекают в серьезную научную работу. Иван Болдов — студент четвертого курса и участвует в исследованиях по контракту.
— По задачам контракта у нас проводятся семинары, — пояснил А. Плеханов. — С Иваном мы говорили об оптическом волноводе. Сейчас обсуждается идея, как соединить оптическое волокно и фотонно-кристаллическую структуру в виде пленки опала. Грубо говоря, как на оптическое волокно нанести некую оболочку. Идея связана с созданием сенсорного устройства. Пока это некие исследовательские задачи.
А эксперименты по контракту проводятся на оптическом стенде рядом, прямо за стеной кабинета заведующего лабораторией.
…Я не ожидала, что лазерная установка, расположенная на столе, такая миниатюрная и похожа на детский паровозик.
— Да, такие современные оптические системы построены из элементов, как конструктор ЛЕГО. Установка составлена из серийных блоков, управляется компьютером, для измерения люминесценции красителя, помещенного внутрь фотонно-кристаллической пленки, о чем я вам рассказывал. Мы получаем готовые образцы от наших партнеров.
Пленка толщиной примерно 10 микрон — это почти 30 слоев нанометровых шариков — наносится на небольшое стеклышко. Анатолий Бакиров, который ведет эксперименты, использует результаты исследований люминесцентных свойств фотонно-кристаллических структур в своей магистерской диссертации. Анатолий показал, как работает установка. Для наглядности несколько штрихов: зеленым светится вторая гармоника неодимового лазера, который возбуждает люминесценцию в пленке. Далее ряд фильтров, отсекающих зеленую компоненту. Все, что происходит внутри, отражается на экране монитора.
— Люминесценция с «веером», — говорю я.
— Она имеет некую диаграмму направленности, — объясняет А. Плеханов. — Изучая люминесценцию, можно судить о том, какова структура слоев фотонно-кристаллической пленки. С другой стороны, изучение люминесценции экспериментальных образцов важно и для создания миниатюрных лазеров в виде пленки. Когда освещаете пленку, она начинает люминесцировать, генерируется когерентное излучение… И, пожалуйста, — лазер. Но мы используем разные подходы. Здесь, измеряя люминесценцию, исследуем структуры, инфильтрованные органическими красителями, а на другом оптическом стенде изучаем спектры пропускания и отражения пленок. И обкатываем идею объединения оптических волноводов с фотонно-кристаллическими структурами.
Мы спустились с третьего этажа на первый, где находятся основные рабочие комнаты.
 |
| Младший научный сотрудник Андрей Симанчук за настройкой установки по измерению нелинейно-оптического отклика органических наноструктур. |
…В помещении несколько тесновато. Не сразу разберешься, какие лазеры сверкают, переливаются и почему. Оглядевшись, я увидела в просвете конструкций Ивана Болдова. Быстрый! Александр Иванович познакомил меня с Андреем Симанчуком, младшим научным сотрудником. Он в лаборатории, начиная с третьего курса, защищал здесь диплом на основе своих практических занятий, а сейчас завершает кандидатскую диссертацию. Андрей как раз исследует органические структуры.
— Образцы — это пленки, полученные центрифугированием раствора красителя на поверхности стеклянной или кварцевой подложки. Не прикладывая внешних усилий, идет самосборка органических наноструктур, но при определенных условиях. Уникальные свойства таких структур — малоинерционная гигантская оптическая нелинейность. Их можно использовать для оптических переключателей, в частности, модуляторов света, в приборах, где необходимо управление света светом. Мы занимаемся исследованием физических свойств таких структур. Наша часть работы — фундаментальная. — И Андрей включил установку.
В экспериментах применяется импульсный лазер на красителе, возбуждаемый второй гармоникой излучения неодимового лазера. Лазер на красителе обеспечивает перестраиваемое по длине волны излучение. В данном случае используется стандартный — пиридиновый краситель на красную область спектра. Кроме того, в некоторых экспериментах используется оптический параметрический генератор с перестройкой длины волны излучения от фиолетового до инфракрасного диапазона. Управляется установка, как обычно, компьютером. Разработана измерительная аппаратура с программным обеспечением. Сейчас образец передвигается по «рельсам» в сфокусированном лазерном пучке. При передвижении образца в области фокуса линзы происходит самовоздействие лазерного излучения, что фиксируется фотоприемниками. Эти исследования относятся к нелинейно-оптическому отклику J-агрегатов для наносекундных длительностей импульсов, но при смене лазерного источника можно измерять сверхбыстрый отклик.
 |
Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н. А.С. Кучьянов (справа) и бакалавр НГУ Иван Болдов обсуждают результаты исследований структуры пленки опала, проведенных с помощью ближнепольного микроскопа. |
Я немного смутилась — что к чему относится. Выручил кандидат наук Александр Сергеевич Кучьянов, который общался с Иваном Болдовым. Оказалось, что за планшетом, как рояль в кустах, стоял другой импульсный лазер — пикосекундный.
— Это уже из разряда сверхкоротких импульсов.
— У них активная среда одинаковая, но разные схемы. Мы получаем и наносекундные, и пикосекундные импульсы.
— Андрей, вы заканчиваете диссертацию, в чем ее эффект новизны?
— Наша работа вошла в число лучших работ Академии наук за 2005 год. Суть ее в том, что при помощи органических структур мы получили короткие импульсы. Использовали структуры J-агрегатов в качестве насыщающихся поглотителей для синхронизации мод неодимового лазера…
— Андрей и в заказной работе участвует, — сказал А. Плеханов.
— У вас в лаборатории, Александр Иванович, куда ни посмотришь, всюду работают молодые исследователи и студенты.
— Так и нужно работать, не жалея сил студентов! Сергей Глебович Раутиан, основатель лаборатории физики лазеров, любит повторять эту фразу, формулу своего учителя Григория Самуиловича Ландсберга. Кто еще может быть более заинтересован в работе? У кого еще такой гибкий ум, и кто еще может привнести, придумать нечто неожиданное? В институтах Новосибирского научного центра всегда студентов вовлекали в серьезную работу лабораторий. И у нас студенты занимаются ответственными задачами. Естественно, их работа хорошо оплачивается по нашим меркам. И, кстати, пикосекундный лазер, который выдает одиночные импульсы, — это наша разработка.
* * *
 |
| А.С. Кучьянов настраивает твердотельный пикосекундный лазер. |
При первой встрече с физиком А. Плехановым, он дал мне почитать свою статью «Наноструктурные материалы и физика лазеров». Я для себя отметила такие высказывания: «В основе приложений фотонных кристаллов лежат две концепции — контроль над спонтанным излучением и локализация света. По существу, применение фотонных кристаллов для создания различных устройств управления светом — это новая парадигма, поскольку такие фотонно-кристаллические структуры могут управлять светом подобно тому, как обычные кристаллы делают это с электронами». И еще отмечу потрясающие воображение вещи: «Процессы фотовозбуждения молекулярных J-агрегатов, подобных тем, что происходят в светособирающих антеннах зеленого листа, а одной из наиболее тонких технологий в масштабе нескольких молекулярных агрегатов является процесс фотосинтеза, аккумулирующий энергию для жизни на Земле. Тот, кто сможет воспроизвести этот процесс с помощью нанотехнологий, будет всегда иметь неограниченное количество энергии».
И самоорганизация вещества, и технологии самосборки кажутся настолько естественными, что приходится только удивляться «обычной» работе исследователей! Я попросила физиков более обстоятельно представить работы, в том числе связанные с государственным контрактом.
Подходы самоорганизации (коллективного поведения атомов, молекул или надмолекулярных комплексов с образованием упорядоченной структуры) сокращают наши усилия в реализации идей и путей создания, экономически эффективных нанотехнологий для массового использования. Одной из таких технологий является создание фотонно-кристаллических функциональных материалов. В последние несколько лет фотонные кристаллы с трехмерной периодической структурой находятся в центре внимания многих исследователей. Во всем мире делаются значительные усилия, чтобы изготовить большие фотонные кристаллы с высоким оптическим качеством. Самосборка из монодисперсных наносфер кремнезема или полимера — это один из обычных методов изготовления таких фотонных кристаллов (искусственных опалов). Статистическая природа самосборки объемных фотонных кристаллов при седиментации сферических наночастиц обуславливает большое количество дефектов. Таким образом, беспорядок в опаловых объемных фотонных кристаллах остается одной из ключевых проблем. Наиболее практичным вариантом использования фотонных кристаллов на основе опала является тонкая пленка оптического качества. В этом случае количество дефектов на порядок ниже, но по-прежнему проблема, стоящая перед исследователями, состоит в исключении таких дефектов как доменная структура, двойники, сбои и пропуски при укладке частиц, устранении микротрещин и разработке хорошо воспроизводимой и технически удобной, контролируемой схемы процесса выращивания пленок.
Другой немаловажный аспект — получение периодических наноструктур на основе именно кремнезёма — что дает ряд важных преимуществ, связанных с их термической и химической прочностью, химической активностью поверхности наночастиц и возможностями ее модификации. Кроме этого, такие опаловые структуры позволяют получать композиции с жидкими кристаллами, полупроводниковыми и лазерными материалами, создавая новые электрооптические и микролазерные функциональные устройства, более эффективные излучатели и датчики, и могут быть основой для нанофотонных аналогов электронных интегральных схем. Все это обуславливает очень широкий спектр применений фотонно-кристаллических материалов на основе опала от функциональных устройств (переключателей волноводов, оптических фильтров, зеркал Брэгга и пр.) до химических и биологических сенсоров (при модифицировании поверхности наночастиц и присоединении к ним люминесцентных добавок).
Срок реализуемости нанотехнологических идей, эффективность и надежность нанотехнологий для создания функциональных фотонно-кристаллических материалов зависит от детального исследования всей системы самоорганизации вещества в наноматериалы «снизу вверх», т.е. от молекул к надмолекулярным структурам, наночастицам и затем к упорядоченным макрообъектам — фотонным кристаллам.
Фото В. Новикова
стр. 8-9