Серебро в форме наночастиц - это целый мир, их форма и размер, а также то, как они вместе сосуществуют, играют очень большую роль в области их практического применения. И до сих пор это огромное разнообразие важно, и до сих пор оно оправдывает себя, и это редкий пример, когда именно наночастицы, а не только консолидированные наноматериалы и наноструктуры нужны для практики - биомедициной диагностики, плазмон-управляемых реакций, криминалистики и других областей знаний и умений.
Когда - то давно, в детстве, я читал и перечитывал взахлеб замечательную книжку Джеральда Даррелла "Зоопарк в моем багаже". Она, конечно, была о животных, самых разных, капризных, своенравных и совершенно милых. Прошло много времени, животными я не занялся, смелости не хватило, а вот с мертвыми, но замечательно прекрасными наночастицами пришлось начать возиться. Они, конечно, тоже своенравные и тоже капризные, порой даже очень. Все же зародышеобразование - одно из общеизвестных таинств матушки - Природы, а поведение ПАВ (поверхностно - активных веществ) является очень тонко настраиваемым инструментом. Вырастить правильную наночастицу, чтобы и форма та была, и размер нужный, не очень просто, особенно если их нужно растить много и всех одинаковых. По всей научной литературе раскиданы десятки, если не сотни методик получения наночастиц серебра, которые, в завивимости от формы и морфологии, зовут наносферами, нанозвездами, нанодисками, нанопирамидками, нанооктаэдрами, нанопалочками, наноиглами, нанокарандашами, нанопроволоками, наноцветами, наноежами, нанофрикадельками, нанорисинками, наномалиной, наноскелетиками, псевдоморфами, насколько у исследователей хватает фантазии (здесь даны лишь самые распространенные переводы на русский терминов из названий статей). И самое интересное, что большинство из этих наночастиц получаются из простых реактивов - нитрата серебра и / или реактива Толленса - комплексного диаммиаката гидроксида серебра (I), существующего в аммиачных растворах солей серебра. Зачем это нужно? Ученые прагматичны и любят не только эстетику, но и вполне понятные им функциональные свойства, за которые они во время выращивания наночастиц сражаются в лаборатории. Совсем недавно об этом мы опубликовали обзор "Soft chemistry of pure silver as unique plasmonic metal of the Periodic Table of Elements" в журнале Pure and Applied Chemistry.
Форма и размер наночастиц серебра (да и, собственно, другого суперпопулярного "нанометалла" золота) во многом предопределяют их плазмонные свойства - поведение колебаний "электронного газа", который штатно присутствует в наночастицах серебра и золота, собственно, именно потому, что они являются металлами. Смещение электронного газа относительно тяжелого катионного остова за счет взаимодействия с электрической компонентной электромагнитной волны, в поле фокуса которой попали наночастицы, является тем явлением, которое генерирует из наночастиц диполи, квадруполи, октаполи и другие варианты локального мгновенного распределения электромагнитного поля внутри и около наночастицы. Как разрешено стоячей волне колебаний электронного газа (квазичастице плазмону) распределиться в наночастице заданного размера, формы, анизотропии, так себя поле вокруг и ведет. Можно уподобить такие наночастицы своеобразным антеннам и резонансным "ловушкам", "концентраторам" электромагнитного поля, поскольку в области своего плазмонного резонанса они являются крайне эффективными поглотителями электромагнитных волн, что визуально вызывает целую радугу окрасок их коллоидных растворов даже если наночастицы присутствуют в растворе в ничтожно малой концентрации. Поэтому геометрические форма и размер - важнейшие факторы управления на наноуровне физическими характеристиками - полем наночастицы. И это умеют делать химики.
Соответственно, такие системы позволяют работать со светом в виде своеобразных оптических фильтров, включать частицы в оптоэлектронные устройства, фотокаталитические системы расщепления воды, управлять целым классом плазмон - индуцируемых химических реакций. Кроме того, наночастицы серебра и золота являются прародителями одного из уникальных методов, который естественным образом позволяет буквально “просканировать” электромагнитными щупальцами отдельные молекулы, в том числе биологической природы, маркеры нефтепродуктов и загрязнителей окружающей среды, лекарства, метаболиты и т.д. - спектроскопии гигантского комбинационого рассеяния (ГКР или SERS, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy). Этот метод сочетает в себе несколько важных факторов. Во–первых, этот оптический метод анализа позволяет снизить мощность “потребляемого” в этом методе лазерного излучения более, чем на порядок величины, что позволяет сохранить в целости и сохранности тот объект (молекулы), который подвергается изучению. Во–вторых, чувствительность ГКР такова, что позволяет получить спектральные характеристики от отдельных молекул, поскольку коэффициенты усиления колебательных спектров достигают миллионов и миллиардов раз в присутствии плазмонных наноструктур. При правильной наноструктуре ГКР работает хорошо, без наноструктур метод не работает вовсе, потому что металлические наноструктуры (серебро, золото) в силу своих физических особенностей “концентрируют” электромагнитное поле вблизи своей поверхности при воздействии лазерного излучения. Эта особенность означает, что ГКР может почувствовать молекулы в предельно низких концентрациях, следы которых сложно обнаружить какими–либо другими методами. В–третьих, при использовании ГКР в ряде случаев возможна оценка численных значений концентраций молекул на уровне наномолярных концентраций, и главное, на выходе получается спектр, то есть запись всех возможных, разрешенных, колебаний, позволяющих не только достоверно опознать молекулу, в том числе по колебаниям в области “отпечатков пальцев” (fingerprints) молекулы, но и получить информацию о ее конформации (структуре), которая может меняться закономерным образом в химических и биологических процессах. В–четвертых, для реализации метода ГКР совсем не обязательно осуществлять прямой физический контакт. Существенное усиление спектральных данных происходит на расстояниях вплоть до 10 – 15 нм от поверхности наноструктуры. С учетом того, что это расстояние сопоставимо с толщинами мембран различных клеток и клеточных органелл у животных и человека, становится возможной неинвазивная трансмембранная диагностика биологических структур и развитие новых методов биомедицинской диагностики.
... Именно поэтому "зоопарк" наноочастиц серебра, его получение и изучение, не являются прихотью сумасшедших экспериментаторов, а выражают ту любимую корреляцию "состав - структура - свойства", которую так любят материаловеды, а теперь, по всей видимости, об этом приходится задумываться и нанотехнологам. Природа едина и безмятежно прекрасна!
