Сотрудники кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ совместно с коллегами из Института прикладной физики РАН разработали новую технологию изготовления кремниевых наночастиц и показали перспективу их использования для визуализации структурных неоднородностей при решении задач биомедицинской диагностики. Результаты работы опубликованы в журнале «Квантовая электроника».
Интерес к таким исследованиям связан с активным развитием технологий наноструктурирования кремния. Этот материал уже давно используется не только в качестве основы микросхем и солнечных элементов, но и в биомедицинских целях, например, для диагностики тканей и клеток. Правда, в этом случае речь идёт только о нетоксичных и достаточно малых (менее 100 нм) кремниевых частицах. Проблема в том, что традиционные методы формирования наночастиц не обеспечивают соответствия указанным требованиям. Один из наиболее распространённых подходов состоит в механическом измельчении слоёв пористого кремния — материала, представляющего собой кремниевую матрицу наподобие губки с нанометровыми воздушными порами. Однако размол таких структур в большинстве случаев не позволяет получить кремниевые кластеры размером менее 100 нм. Методы коллоидного химического синтеза тоже имеют ограничения из-за большого количества остаточных токсичных примесей в продуктах реакции.
На этом фоне хорошо зарекомендовала себя импульсная лазерная абляция (удаление вещества с мишени лазерными импульсами) кремния в жидкостях и газах. Варьирование их состава позволяет изготавливать кремниевые наночастицы разного размера, в том числе величиной в единицы и десятки нанометров. При этом удаётся достичь высокой степени химической чистоты и кристалличности формируемых структур. Существенный недостаток метода — относительно малый массовый выход продуктов абляции, агломерирующих в наночастицы. Нужно либо увеличивать энергию и частоту лазерных импульсов за счёт применения более сложных и дорогих лазеров, либо использовать вместо мишеней монокристаллического кремния иные.
Сотрудники лаборатории фемтосекундной нанофотоники физического факультета МГУ провели исследования, показавшие перспективность применения в качестве мишеней для абляции плёнок пористого кремния, изготавливаемых относительно простым и дешёвым методом электрохимического травления. Использование таких структур позволяет за счёт малой теплопроводности и механической прочности в разы повысить массовый выход кремниевых наночастиц по сравнению с абляцией пластин кристаллического кремния лазерными импульсами с теми же энергетическими характеристиками.
«Изготовленные с помощью этой технологии кремниевые наночастицы мы осадили на поверхность пористого агарового геля, имитирующего биологическую ткань, — рассказал один из авторов статьи, доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ к.ф.-м.н. Станислав Заботнов. — И в результате показали, что, благодаря присущему им эффективному рассеянию света, можно получать высококонтрастные изображения неоднородностей изначально практически прозрачного агарового геля. А это важный шаг в решении задач биомедицинской диагностики — визуализации биологических и биоподобных тканей».
