Химики научились осаждать из раствора оптические элементы

C. Nadir Kaplan / Wim L. Noorduin / Harvard University

Исследователи из Гарварда описали, каким образом в солевом растворе происходит образование микроструктур различной формы. Пользуясь своей моделью, они смогли вырастить структуры с заданными параметрами, в том числе микроскопические оптические элементы, проводящие свет. Статья опубликована в журнале Science, а прочитать комментарии авторов о своем исследовании можно на сайте института Висса.

Микроструктуры заданной формы находят широкое применение в современной электронике и оптике. Однако методы, которые используются при их создании, такие как литография и 3D-печать, либо дороги и трудозатратны, либо недостаточно точны. Перспективный способ создания фигур различной формы ученые «подсмотрели» в природе — ведь закрученная раковина моллюсков или скелет морского ежа формируются в результате относительно простых (по сравнению с литографией) химических процессов, которые регулируются достаточно узким диапазоном условий окружающей среды. Вдохновившись существованием биоминерализации, сотрудники Гарвардского университета в 2013 году вырастили миниатюрные цветники, созданные из отложений оксида кремния с карбонатом бария, и химию процесса описали в статье в Science. Если через щелочной раствор хлорида бария и метасиликата натрия пропускать углекислый газ, в нем начинают выпадать нерастворимые кристаллы карбоната бария, при этом на границе со средой локально понижается pH (кислотность), что приводит к отложению на их поверхности слоя оксида кремния. Слои формируют тонкостенные структуры различной формы. В зависимости от начального pH раствора, эти структуры либо растут прямо вверх, образуя чаши или вазы, либо начинают закручиваться, образуя лепестки и спирали типа макаронин. 

В своей новой статье исследователи подвели математическую базу под процесс формообразования, и составили модель, в которой один из параметров (qb) зависел от pH. Меняя этот параметр и симулируя процесс на компьютере, авторы смогли получить структуры заданной формы. Они выяснили, что манипулируя кислотностью среды во время роста структур, можно переключать процесс из «прямого» режима в режим закручивания, а также изменять их размер.

Некоторые микрокомпоненты, используемые в фотонике, такие как волноводы и отражатели, благодаря своей форме идеально подходят для выращивания в растворе. Воспользовавшись своей математической моделью, ученые смогли осадить из раствора на подложку так называемые брэгговские зеркала — отражатели световых волн, которые входят в состав оптоволокна. По структуре эти отражатели напоминают луковицу. Чтобы убедиться, что полученные компоненты действительно проводят свет (являются оптически активными), в исходный раствор соли бария добавили в качестве присадки флуоресцентный краситель, в результате чего точка роста структуры приобрела способность флуоресцировать в присутствии источника света. На следующей стадии роста красителя в среде не было, и центральная часть структуры его не содержала. Несмотря на это, структуры эффективно проводили свет от флуоресцентного кристалла к кончику. Исследователи вырастили скульптуры в виде спиралей, кораллов и трубок, и все они обладали способностью проводить и распределять свет.

Таким образом, фотоника позаимствовала в биологии изящное решение по созданию функциональной оптической микроархитектуры. Наверняка это будет не единственная био-идея, воплощенная в жизнь сотрудниками института Висса, где работают несколько авторов статьи, ведь полное название этой организации звучит примерно как «Институт навеянных природой разработок» (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).

Дарья Спасская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.