Этот вид излучения перспективен для развития методов неразрушающего контроля качества материалов в промышленности и систем визуализации в биологии и медицине. А структура панциря диатомовой водоросли может подсказать новые подходы к созданию компактных элементов для фокусировки и управления волновым фронтом в ТГц-устройствах, сообщили в пресс-службе Сколтеха.
Панцирь диатомеи можно рассматривать как природную фотонную структуру: его сложная трёхмерная архитектура работает подобно дифракционной решётке и способна перераспределять проходящее через неё излучение. Оптимизированная миллионами лет эволюции структура панциря позволяет водоросли фокусировать доходящий до неё сквозь толщу воды солнечный свет, формируя определённое распределение излучения внутри панциря — так называемый эффект Тальбота.
В случае с реальной водорослью этот эффект распространяется на видимый свет. Исследователи же увеличили масштаб структуры примерно в 2 тыс. раз. Это позволило упростить эксперимент, но эффект наблюдался в терагерцовом спектре, ведь вместе с размерами решётки сдвигается и диапазон излучения, которое будет с этой решёткой взаимодействовать.
Хотя наблюдать эффект в масштабе 2000:1 оказалось проще, в то же самое время появилась другая сложность: как изготовить столь изощрённую 3D-структуру? Чтобы воспроизвести многослойную сеть отверстий методом LCD-печати (3D-печать фотополимерной смолой), потребовалось большое количество снимков под разными углами со сканирующего электронного и атомно-силового микроскопов. Воспроизведение такой сложной трёхмерной архитектуры потребовало детальной реконструкции геометрии панциря и оптимизации параметров LCD-печати.
Ранее эффект Тальбота в ТГц-диапазоне преимущественно изучался на более простых, плоских решётках. Что касается структур с геометрией панциря диатомовой водоросли, то этот эффект для них предсказан в другом исследовании той же научной группы, но экспериментальное подтверждение появилось только теперь.
ТГц-диапазон подходит для технологий биомедицинской визуализации и неразрушающего контроля качества материалов. С точки зрения безопасности воздействия на организм ТГц выгодно отличается от рентгеновского и гамма-излучения. В то же время такая «просветка» чувствительна к содержащимся в биологических тканях молекулам воды. Всё это делает ТГц-инструменты перспективными, например, для диагностики рака кожи. А методы контроля качества материалов выиграют за счёт того, что такое излучение может проникать в материалы-диэлектрики, выявляя внутренние дефекты.
Проблема в том, что пока в арсенале инженеров довольно мало подходящих для работы с ТГц-излучением линз, зеркал, дифракционных элементов и прочих деталей, которые нужны для развития соответствующих медицинских, научных и промышленных устройств. Увеличенная копия панциря водоросли — прообраз одного из таких элементов.
«Следующим шагом может стать переход от демонстрационной масштабированной модели к целенаправленному проектированию диатомоподобных структур: подбор материалов с низкими оптическими потерями и оптимизация их геометрии под конкретные задачи. При этом работа с оптимизированным природой дизайном существенно упростит расчёты по сравнению с проектированием компонентов с нуля, а 3D-печать сделает производство дешевле, чем при использовании дорогостоящей литографии», — прокомментировала результаты исследования один из его авторов и руководитель грантового проекта, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Юлияна Цветинович.
«Эта работа — хороший пример взаимодействия учёных из вузов с одной стороны и НИИ в системе академии наук и за её пределами с другой, — отметил научный руководитель исследования профессор Дмитрий Горин, заведующий Лабораторией биофотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — Кроме того, примечательно, что иногда — и это как раз тот случай! — масштабирования объекта, позволяет упростить эксперимент, не теряя в качестве получаемой физической картины явления».
Исследование опубликовано в журнале Light: Advanced Manufacturing при поддержке гранта Российского научного фонда.
