Наука без пробирок: виртуальные наночастицы открыли путь к точной диагностике заболеваний

Учёные Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (БФУ) представили математический алгоритм, который позволяет с высокой точностью рассчитывать, как наночастицы серебра разных форм взаимодействуют со светом. Эта технология уже названа ключевой для разработки новых оптических сенсоров, систем ранней диагностики заболеваний и контроля лекарственных препаратов.

"Наш алгоритм позволяет создавать цифровые двойники наночастиц, которые демонстрируют, как реальные образцы будут вести себя при освещении", — рассказал кандидат физико-математических наук Андрей Зюбин, заведующий лабораторией математического моделирования оптических свойств наноматериалов БФУ им. Канта.

Цифровые двойники наномира

Раньше учёным приходилось получать реальные образцы наночастиц, проводить многочисленные опыты, фиксировать данные и только потом оценивать оптические характеристики материала. Это занимало месяцы и требовало дорогостоящего оборудования.

Теперь те же результаты можно получить за считанные минуты — с помощью компьютерного моделирования. Алгоритм БФУ создаёт цифровую копию наночастицы и вычисляет, как она рассеивает и поглощает свет при различных длинах волн.

Математическая модель учитывает форму, размеры и распределение атомов внутри структуры — параметры, которые определяют цвет свечения, интенсивность отражения и спектральные особенности материала.

"Раньше мы могли понять свойства наночастиц только после лабораторного синтеза. Теперь их можно предсказать заранее, ещё до эксперимента", — пояснил Андрей Зюбин.

Почему именно серебро

Серебро уже давно известно своими антимикробными и фотонными свойствами. Его наночастицы активно применяются в медицине, при создании имплантатов, систем доставки лекарств и антисептических покрытий. Но для каждой задачи требуются разные формы — от сферических до стержневидных и многогранных.

Даже небольшое изменение формы влияет на поведение света в наномасштабе: одни частицы усиливают отражение, другие — поглощение или рассеивание. Поэтому создание универсальной модели, учитывающей эти различия, стало настоящим научным прорывом.

Как работает алгоритм

Программа анализирует физические параметры частицы: диаметр, длину, радиус кривизны и тип поверхности. Затем алгоритм моделирует, как свет разной длины волны взаимодействует с этой структурой. Полученные данные формируют спектральный "отпечаток" частицы — её уникальный оптический профиль.

Эта информация позволяет подбирать частицы под конкретные задачи, например:

• усиливать сигналы в оптических сенсорах для диагностики заболеваний;
• создавать материалы для фотонных микроскопов;
• проектировать нанопокрытия для медицинских имплантатов.

Где пригодится новая технология

1. Медицина. Создание высокочувствительных сенсоров для диагностики ранних стадий рака, инфекций и метаболических нарушений.
2. Фармацевтика. Контроль распределения лекарственных веществ в организме с помощью оптического мониторинга.
3. Материаловедение. Разработка новых нанопокрытий для хирургических инструментов и имплантатов.
4. Фотоника и оптика. Производство сверхчувствительных датчиков света и биосенсоров.

3 интересных факта о наночастицах серебра

1. Серебро активно отражает и усиливает свет, поэтому его частицы применяются в оптических микроскопах и лазерных системах.
2. В медицине наночастицы серебра используют для создания антисептических повязок и покрытий имплантатов.
3. Изменение формы даже на несколько нанометров полностью меняет оптический спектр материала — от голубого до инфракрасного диапазона.

Исторический контекст

Разработка алгоритмов для описания поведения света в наноструктурах началась в 1990-х, когда учёные впервые выявили эффект плазмонного резонанса — явление, при котором наночастицы усиливают световые колебания.

Однако расчёты требовали колоссальных ресурсов, а каждая новая форма частицы — отдельного моделирования. Алгоритм БФУ стал одним из первых решений, позволяющих проводить расчёты универсально, быстро и с высокой точностью.