Руководитель НИЛ Многофункциональные наноструктуры и кристаллы фотоники для решения фундаментальных задач биомедицины и материаловедения Института физики Казанского федерального университета, кандидат физико-математических наук Максим Пудовкин стал победителем конкурса Российского научного фонда «Проведение инициативных исследований молодыми учеными».
Его проект «Исследование физических основ функционирования люминесцентных температурных сенсоров на основе нано- и микрочастиц фторидов, активированных ионами редкоземельных элементов (Tm3+/Yb3+, Eu3+/Tb3+, Pr3+/Yb3+, Nd3+/Yb3+) с целью получения сенсоров с максимальными характеристиками» поддержан грантом РНФ.
«Для широкого класса задач, таких как контроль температуры двигателей, промышленных установок, а также для многих медицинских целей достаточно использовать традиционные методы измерения температуры с применением ртутных или спиртовых термометров, термопар и тепловизоров, – говорит Максим Пудовкин. – Однако в науке и промышленности существует ряд сложных задач, связанных с измерением температуры, например очень маленьких (размером в несколько микрометров) объектов. Также актуальны задачи неинвазивного (исключающего непосредственный контакт объекта и измерительного прибора) измерения температуры и визуализация температурных полей с высоким пространственным разрешением. Для таких целей актуально применение люминесцентных температурных сенсоров».
По словам старшего научного сотрудника, высокочувствительные температурные сенсоры, разработкой которых он занимается, очень нужны электронной промышленности, в первую очередь для визуализации температурных полей микросхем.
«Дело в том, что современные микросхемы состоят из большого количества наноэлементов, находящихся очень близко друг от друга. Если эти элементы расположены не оптимально или имеет место сбой в работе одного из них, то область микросхемы начинает нагреваться. Детектировать такие малые области нагрева (линейный размер 200-500 нанометров) традиционными методами невозможно. Однако если на микросхему нанести особое диэлектрическое покрытие, содержащее наночастицы, параметр люминесценции которых (условно – цвет) зависит от температуры, то найти локацию проблемных частей схемы будет гораздо легче», – объяснил он.
Ученый также отметил, что другая, не менее важная область применения бесконтактных высокочувствительных температурных сенсоров, – это лечение онкобольных.
«При гипертермии раковых опухолей необходимо контролировать температуру нагрева опухоли в глубине ткани. Это нужно делать бесконтактно и удаленно, – сообщил физик. – Для гипертермии используют довольно мощные лазеры инфракрасного диапазона. Проникая вглубь ткани, инфракрасное излучение разогревает ее. Температура нагрева должна составлять 41-42 градуса Цельсия. Недогрев ведет к низкой эффективности терапии, а перегрев – к некрозу тканей. Для таких целей предлагается использовать наночастицы, способные преобразовывать поглощаемое лазерное излучение в тепло и в то же время люминесцировать в инфракрасной области, "сообщая" нам о температуре. Вводить в организм пациента наночастицы необходимости нет. Существуют фантомные ткани, которые можно менять с учетом особенности кожи конкретного пациента. В эти фантомные ткани вводятся наночастицы и отрабатывается режим излучения, эффективный для гипертермии».
Одна из главных задач реализуемого им проекта – получение новых фундаментальных знаний о материалах.
«Все мы знаем, что с повышением температуры тела расширяются. Однако при исследовании большинства люминесцентных материалов эта особенность справедливо не учитывается, так как мельчайший сдвиг между ионами особой роли не играет. Но мы, похоже, нашли материал (наночастицы YF3), для которого этот сдвиг значителен. Эту особенность можно использовать при создании сенсоров, а также ее необходимо учитывать при создании лазеров. В рамках проекта планируется более подробно изучить данное явление и создать линейку сенсоров, основанную на нем», – проинформировал М.Пудовкин.
Он добавил, что полученные результаты были представлены им и его коллегами в научной статье, которая была опубликована в июне в международном журнале первого квартиля Journal of luminescence.
Автор: Лариса Бусиль, фото из архива Максима Пудовкина