Российские исследователи придумали новый метод синтеза кремниевых наночастиц и показали, что их можно использовать для визуализации неоднородностей структуры при биомедицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в журнале «Квантовая электроника».

Сегодня наблюдается активное развитие технологий наноструктурирования кремния. Этот материал уже давно применяется не только как основа микросхем и солнечных элементов, но и в биомедицине, например для диагностики тканей и клеток. Однако для таких целей необходимы довольно малые дозы кремниевых наночастиц размером до 100 нм. Проблема в том, что используемые сегодня методы синтеза таких частиц не позволяют создать подходящие для биомедицинских применений материалы.

Один из самых распространенных методов состоит в механическом измельчении пористого кремния — материала, который представляет собой кремниевую «губку» с порами размером в несколько нанометров. Но измельчение таких материалов в большинстве случаев не позволяет получить кремниевые кластеры размером менее 100 нм. Если использовать коллоидный химический синтез, также возникают свои ограничения из-за большого количества токсичных примесей в продуктах реакции.

Другой метод — импульсная лазерная абляция кремния в жидкостях и газах — позволяет решить ряд проблем, характерных для других методов. Варьирование состава среды и образцов позволяет создавать наночастицы кремния разного размера — до десятков и даже единиц нанометров. При этом достигается высокая частота и кристалличность продуктов синтеза. Главный недостаток такого метода — относительно малый выход продуктов синтеза, которые превращаются в наночастицы. Чтобы получить больше вещества, нужно либо увеличивать энергию и частоту лазерных импульсов, либо использовать другие мишени для синтеза.

Исследователи лаборатории фемтосекундной нанофотоники физического факультета МГУ провели эксперименты, которые показали, что в качестве мишеней абляции лучше всего использовать пленки пористого кремния.

Эти материалы можно создать относительно простым и дешевым методом электрохимического травления. Их малая теплопроводность и механическая прочность позволяют в разы увеличить выход кремниевых наночастиц по сравнению с абляцией кристаллического кремния такими же лазерными импульсами.

«Синтезированные с помощью этой технологии наночастицы кремния мы осадили на поверхность пористого агарового геля, который имитировал биологическую ткань, — говорит один из авторов статьи, доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ Станислав Заботнов. — В результате мы показали, что с их помощью можно получать высококонтрастные изображения неоднородностей изначально практически прозрачного агарового геля. Это важный шаг для биомедицинской диагностики — визуализации биологических и биоподобных тканей».