Золотые наночастицы увеличили интенсивность оптических гребенок
R. Castro-Beltran et al./ ACS Photonics, 2017
Покрытые полимерным материалом золотые наностержни могут использоваться в качестве усилителей лазерных частотных гребенок. Группа ученых из США и Мексики показала, что если такими частицами покрыть поверхность оптического резонатора, то необходимую для формирования частотной гребенки мощность можно снизить в 15 раз. Работа опубликована в ACS Photonics.
Оптические частотные гребенки — световые волны с особым видом спектра. Источник частотной гребенки возбуждает из одной световой волны целую серию волн, равномерно распределенных по спектру вокруг изначального сигнала. У таких устройств довольно широкая область применения: они используются в кибербезопасности, для определения токсичных веществ и в системах GPS. При использовании таких устройств для промышленных приборов разработчики обычно стремятся добиться максимальной добротности устройств, что приводит к увеличению их размеров и повышению необходимой для их работы минимальной мощности.
В новой работе ученые из США и Мексики решили исследовать возможность уменьшения размеров устройств для формирования оптических гребенок в инфракрасной области спектра и уменьшения необходимой мощности начального сигнала. Для этого к источнику лазерных импульсов с длиной волны 1550 нанометров они присоединили оптический микрорезонатор, представляющий из себя микросферу из оксида кремния. В таком микрорезонаторе за счет эффекта шепчущей галереи формируется вращающееся оптическое поле. При этом за счет квадратичного элеткрооптического эффекта — зависимости показателя преломления материала от приложенного электрического поля — происходит разделение частот и образование частотной гребенки вокруг изначально сигнала.
Схема устройства для изучения интенсивности формирующейся частотной гребенки
R. Castro-Beltran et al./ ACS Photonics, 2017
Чтобы увеличить интенсивность образующейся гребенки, исследователи нанесли на поверхность микросферы золотые наностержни, покрытые полиэтиленгликолем. Поверхностный плазмонный резонанс в наностержнях приводит к увеличению интенсивности волн, что в свою очередь вызывает формирование новых волн в органическом слое на поверхности наностержня. В результате совместное действие этих эффектов приводит к резкому уменьшению энергии, необходимой для формирования спектра.
Загрузка галереи
Оказалось, что предложенная схема позволяет добиться формирования интенсивной гребневой структуры спектра шириной около 300 нанометров. При этом мощность начального импульса не превышала 2 гигаватт на квадратный сантиметр, а в зависимости от концентрации наностержней на поверхности частицы оксида кремния пороговая мощность для квадратичного электрооптического эффекта может доходить от 150 микроватт, что в 15 раз меньше, чем при отсутствии золотых наностержней.
По словам ученых, наибольшие перспективы разработанный ими механизм имеет для портативных спектроскопических устройств для химического анализа.
В зависимости от диапазона длин волн, в котором создается частотная гребенка, приложения для таких устройств могут быть довольно разнообразными. Так, инфракрасные лазерные частотные гребенки могут использоваться как калибровочный инструмент для больших наземных телескопов, ультрафиолетовые — для охлаждения и удержания легких атомов, а терагерцовые — для исследования излучения космических объектов.
Александр Дубов
Он хорошо активировал остеогенные клетки
Норвежские ученые разработали прототип костного трансплантата из аморфного фосфата кальция, который они получили из гидроксиапатита и яичной скорлупы. Он показал крайне хорошую иммуносовместимость и активацию остеогенных клеток в тканевых моделях. Исследование опубликовано в журнале Smart Materials in Medicine. В качестве трансплантата для замещения дефектов кости можно использовать кусок другой кости того же человека (аутологичный трансплантат), другого человека (аллогенный трансплантат), животного (ксеногенный трансплантат) или синтетические материалы. Несмотря на то, что аутогенные и аллогенные костные трансплантаты — золотой стандарт в таких операциях — содержат белки и клетки, которые способны формировать новую костную ткань, ограниченное количество доноров и риск переноса инфекции, равно как и техническая сложность аутогенной трансплантации, ограничивает применение этих методов. Изготовление ксеногенных полусинтетических трансплантатов сопряжено с высокими затратами на изготовление и с большими объемами медицинских отходов. Хаавард Йостейн Хауген (Håvard Jostein Haugen) из Университета Осло вместе с коллегами придумал концепцию синтетического костного трансплантата, который должен решить все эти проблемы. Они разработали метод изготовления аморфного фосфата кальция — основы искусственного синтетического костного трансплантата — с помощью синтетического гидроксиапатита и яичной скорлупы. Для этого яичную скорлупу сначала нагревали до 900 градусов Цельсия в течение часа, чтобы избавиться от органического компонента и превратить карбонат кальция (CaCO3) в оксид кальция (CaO). Полученные 5,55 грамма оксида кальция добавляли к 600 миллилитрам деионизированной воды и перемешивали со скоростью 200 оборотов в минуту. Затем к полученной суспензии добавляли 12,47 миллилитра раствора H3PO4, снова перемешивали с большей скоростью и вливали 91,5 миллилитра гидроксида натрия. Выпавший белый осадок фильтровали и промывали, а затем в пластиковых контейнерах погружали в жидкий азот. Физико-химические свойства полученного аморфного фосфата кальция оказались схожи с контрольным гидроксиапатитом, однако в экспериментальной версии ученые наблюдали большую устойчивость к рекристаллизации, которая затрудняет процесс приживления искусственной ткани к живой. Кроме того, цитотоксичность и гемолитическая активность частиц экспериментального фосфата кальция была не выше (а в некоторых тестах даже ниже), чем у контрольного материала. Также он проявлял достаточную иммуносовместимость. В двух- и трехмерных моделях мышиного зубного сосочка — эмбрионального зачатка зуба — частицы экспериментального фосфата кальция проявляли лучшую, по сравнению с контролем, активацию остеогенных клеток, которая оценивалась по экспрессии белков, ответственных за построение внеклеточного матрикса костной ткани (как органического, так и неорганического). Благодаря этому модели начинали приобретать структуру, напоминающую костную ткань. Это исследование показывает, что у яичной скорлупы как источника аморфного фосфата кальция есть потенциал использования в качестве костного полусинтетического трансплантата. При этом при его производстве практически не остается отходов. Если дефект кости небольшой, то можно воспользоваться титановыми пластинами в качестве имплантатов. Ученые придумали, как усовершенствовать их: они нанесли на них биопленку из бактерии Lactobacillus casei. Это помогло усилить регенерацию кости и защитить ее от метициллинрезистентного золотистого стафилококка.