Ученые Института Автоматики и процессов управления   совместно с зарубежными коллегами получили новый наноматериал, который позволяет создавать уникальные физически неклонируемые оптические метки для борьбы с антиконтрафактной продукцией. По словам учёных эта технология также может быть использована при создании наноразмерных сенсорных устройств и опреснительных систем, поскольку материал демонстрирует ряд интересных оптических и нелинейно-оптических свойств. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах высокорейтингового журнала ACS Applied Materials & Interfaces.

“Это исследование – настоящий вызов и проверка собственных возможностей” – говорит руководитель гранта РНФ, старший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН, Станислав Гурбатов. “Не секрет, что создание наноразмерного материала на основе благородного металла, такого как золото, и полупроводника, например, кремния, выглядит крайне привлекательным, поскольку такой гибрид будет комбинировать ключевые преимуществами базовых материалов плазмоники и нанофотоники. Однако разработка простой и масштабируемой технологии получения материалов, позволяющих на наномасштабах перемешать кремний и золото, является нетривиальной задачей и как правило требует сложных многоступенчатых процедур.”

Для решения этой задачи учёные развили ранее предложенный подход лазерной абляции в жидкости, который они успешно применили в рамках другого проекта РНФ (https://rscf.ru/en/news/en-media/physicists-have-developed-new-material-for-water-desalination/  grant no. 19-79-00214) при синтезе наноматериала на основе аморфного диоксида титана и золота, который значительно ускорил испарение воды в солнечных опреснителях за счет широкополосного светопоглощения.

“В раствор, уже содержащий кремниевые микросферы, полученные при лазерном облучении объёмной кремниевой мишени, мы добавили ионы золота и провели повторное облучение лазерными импульсами” – рассказывает еще один автора исследования, Владислав Пузиков, аспирант и инженер ИАПУ ДВО РАН. “Импульсное лазерное излучение позволяет создать уникальные физические условия для локализованного роста золотых нанокластеров на поверхности кремниевых микросфер и их постепенного внедрения вглубь. Получившийся материал представляет собой микросферы кремния, с внедрёнными внутрь и декорирующими поверхность наночастицами золота.” 

Благодаря особой уникальной морфологии и гибридности, порошок из таких частиц поглощает до 96 процентов солнечного излучения, преобразуя его в тепло. Кроме того, единичная сфера кремний-золота размером всего в 1 микрон может быть использована в качестве оптического сенсора, давая возможность регистрировать сверхмалые концентрации различных молекулярных соединений, адсорбированных на поверхности микросферы. При этом, золотая часть в таком гибриде отвечает за многократное усиление комбинационного рассеяния молекулярных аналитов (например, опасных газов или лекарственных препаратов), позволяющее с высокой точностью определить тип соединения, а кремний выступает в роли нанотермометра, позволяя в процессе измерения контролировать локальную температуру в сенсоре и не перегреть аналит, который, как правило, имеет низкие температуры термического разрушения.

“Гибридные наночастицы обладают набором уникальных оптических сигналов - широкополосной нелинейной люминесценцией и характерным комбинационным рассеянием. Это позволяет использовать микроразмерные россыпи таких наночастиц в качестве оптических защитных меток, которые невозможно скопировать. В таком случае, произвольность процесса осаждения наночастиц из суспензии на произвольную поверхность и их аггломерация позволяет создать неповторимые картины распределения характерных оптических сигналов, которые могут быть записаны и использованы в дальнейшем в качестве защитных меток. Кодирующая способность предлагаемого подхода составляет 10 в степени 3000, т.е. именно такое количество попыток потребуется злоумышленнику, чтобы случайным образом повторить такую метку, делая ее физически некопируемой” – объясняет Станислав Гурбатов.

Простота предложенной технологии синтеза, а также её высокая производительность, достигающая нескольких грамм в час, делают её коммерчески привлекательной для наносенсорики, преобразования солнечной энергии и антиконтрафактной маркировки.

Пресс-релиз опубликован в ряде федеральных СМИ