Физики сделали съедобные голограммы из кукурузного сиропа и ванильного экстракта

Физики разработали методику создания голографических изображений на съедобных сахарных пластинках из кукурузного сиропа и ванильного экстракта. Для оптимизации созданной техники ученые исследовали оптические свойства сахарных дифракционных решеток, а также продемонстрировали возможный вид получаемых таким образом голограмм. Потенциально такая технология может быть использована в пищевой промышленности в целом ряде задач: к примеру, как в качестве украшения кондитерских изделий, так и для проверки состава продукта. Статья опубликована в журнале ACS Nano.

Оптическая голограмма, в отличие от обычной фотографии, хранит в себе информацию не только о цвете и интенсивности регистрируемого света, но и фазах волн, приходящих от интересующего нас объекта. Это возможно благодаря тому, что в ходе записи голограммы на регистрирующую пластинку направляются одновременно две волны света от одного источника: одна (опорная) сразу же попадает на фотопластинку или иной регистрирующий материал, а другая (объектная) предварительно отражается от предмета, который хочется запечатлеть. В результате интерференции этих двух волн в материале будущей голограммы возникают области максимумов и минимумов интенсивности падающего на нее светового поля, которые превращают фоточувствительную пластинку в замысловатую дифракционную решетку. Если таким образом записать голограмму, а затем посветить на нее опорной волной с теми же характеристиками, что и при записи, то в ходе дифракции при взаимодействии с фотопластинкой эта волна преобразуется в копию искомой объектной волны. То есть на выходе наблюдатель увидит объемное изображение исходного объекта.

Помимо очевидного преимущества голографии в полноте записываемой информации об объекте, у такого метода регистрации изображения есть еще одна особенность: даже маленькая часть голограммы (к примеру, после ее повреждения или раздробления на маленькие части) хранит информацию о всех зарегистрированных объектах. То есть даже частичная утрата голограммы не приводит к потере двумерного изображения, хоть и влечет за собой уменьшение диапазона доступных ракурсов и ухудшение четкости. Тем не менее, особенно широкого практического применения голограммы пока не сыскали, в первую очередь из-за сложных процессов записи и воспроизведения: в них должен использоваться мощный источник монохроматического света, роль которого обычно играет лазер.

Но физики не отчаиваются и продолжают искать способы технически упростить методы голографии и найти ей применение в повседневной жизни. Так, у голографии большой потенциал для применения в пищевой области: съедобные голограммы могли бы быть не только приятным украшением и повысить привлекательность разных продуктов питания, но и защитить потребителя от некачественной или поддельной еды. В этом случае, однако, к проблеме технологической сложности записи голограммы добавляются и ограничения на регистрирующий фотоматериал: он должен быть не только съедобным, но и устойчивым к разложению, а также не должен усложнять процесс регистрации светового поля изображаемого объекта. Теперь же выяснилось, что таким требованиям хорошо соответствуют пластинки из тонкого слоя высушенного раствора кукурузного сиропа с ванильным экстрактом. К такому выводу пришел Бадер АльКаттан (Bader AlQattan) из Бирмингемского университета вместе с коллегами в своем исследовании дифракционных свойств сахарных фотопластинок, облученных лазером по схеме записи Денисюка.

Исходные пластинки толщиной 100 микрон ученые получали в процессе трехчасового высушивания раствора, который состоял из 1,5 миллилитра ванильного экстракта, 2 миллилитров сахарного сиропа и 0,5 миллилитра воды. Этот состав физики предпочли благодаря тому, что полученные таким образом пластинки оказались тверже чем те, в которых было меньше ванильного экстракта. Затем физики напыляли на сахарные пластинки слой черного красителя толщиной в 900 нанометров, чтобы усилить поглощение лазера с последующей абляцией, благодаря которой на поверхности пластинок возникали дифракционные структуры. Само облучение происходило по схеме, похожей на схему записи Денисюка: опорная волна лазера (с длиной волны в 1064 нанометра) проходила сквозь сахарную пластинку и отражалась от зеркала (на месте которого в классическом случае должен был бы стоять изображаемый объект), формируя объектную волну. В рамках такой схемы интерференционные максимумы и минимумы на пластинке располагались параллельно друг другу, а значит в результате облучения сахарная пластинка превращалась в классическую дифракционную решетку, период которой исследователи могли варьировать за счет изменяемого угла положения пластинки в ходе облучения.

Для выбора оптимальных параметров облучения ученые варьировали угол, под которым исходная волна падала на сахарную пластинку, а также изменяли содержание сахара в исходном растворе. Оказалось, что наибольшей эффективностью обладали дифракционные пластинки, полученные при облучении лазером под углом в 35 градусов, что соответствовало периоду дифракционной решетки в 1050 нанометров. Для такой пластинки, как и ожидалось, физики получили наибольшие углы положения первого максимума дифракционной картины при облучении монохроматическим светом и самые широкие спектры при облучении белым светом. Добавление сахара в исходный раствор, в свою очередь, приводило к увеличению показателя преломления сахарной пластины и к уменьшению угла первого максимума полученной таким образом дифракционной решетки. Это значит, что по оптическим свойствам таких структур можно, в том числе, следить за составом вещества, из которого они сделаны (или в котором они находятся).

Наконец, исследователи показали примеры возможных съедобных радужных голографических изображений, чтобы продемонстрировать, как описанная технология может быть применена на практике. Физики отметили, что разработанный ими метод голографии не требует много времени и ресурсов, а полученные результаты в будущем могут быть применены для создания более сложных голограмм или других наноструктур на съедобных носителях. Ученые отметили и то, что полученные структуры сохраняли свои оптические свойства в течение нескольких месяцев, а значит устойчивы к износу и деградации. В настоящей работе, однако, на поверхность сахарных пластинок напылялся синтетический краситель. Хоть он и не был токсичным и почти весь удалялся в ходе облучения лазером, для реального использования технологии в пищевой индустрии ее необходимо адаптировать с использованием пищевых красителей.

Кроме кукурузного сиропа с ванильным экстрактом в качестве основы для голограмм можно использовать и другие сладости: ранее мы рассказывали, как инженеру удалось записать голограммы на поверхности шоколада. Также голограммы можно создавать и на квантовом уровне, а неделю назад у физиков получилось сделать это даже без прямого наложения волн.

Никита Козырев