Ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Курчатовского института, ИОФ РАН и ИФТТ РАН провели уникальный эксперимент. Они создали увеличенную в тысячи раз копию панциря микроскопической диатомовой водоросли и подтвердили с ее помощью оптический эффект, который ранее был лишь предсказан теоретически, говорится на сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Диатомовые водоросли обладают сложным трехмерным панцирем, который работает как природная дифракционная решетка. Эволюция оптимизировала его архитектуру так, чтобы фокусировать солнечный свет под водой, используя явление, известное как эффект Тальбота. Исследователи решили перенести этот природный механизм в перспективный терагерцовый (ТГц) диапазон излучения. Поскольку волны этого диапазона гораздо длиннее видимого света, ученым пришлось пропорционально увеличить геометрию панциря примерно в 2000 раз. Это позволило наблюдать тот же физический эффект, но уже в радиочастотном спектре, более удобном для экспериментов.
Главной задачей стала физическая реализация такой сложной формы. Чтобы воспроизвести многослойную сеть отверстий природного оригинала, команде потребовалось объединить сотни снимков со сканирующего электронного и атомно-силового микроскопов. Итоговую модель напечатали на LCD-принтере из фотополимерной смолы.
Ранее эффект Тальбота в ТГц-диапазоне изучался только на простых плоских решетках. Работа российских ученых — первое экспериментальное подтверждение того, что сложные биологические структуры могут управлять этим излучением.
Терагерцовое излучение считается безопасным для человека, но при этом чувствительно к молекулам воды в тканях. Это делает его идеальным кандидатом для неинвазивной диагностики рака кожи или выявления внутренних дефектов в промышленных материалах. Однако развитию технологий мешает нехватка подходящих линз и зеркал для работы с ТГц-волнами. Увеличенная копия панциря водоросли может стать прототипом нового компактного элемента для управления волновым фронтом.
По словам экспертов, следующим этапом работы станет переход от демонстрационной масштабированной модели к целенаправленному проектированию диатомоподобных структур: подбор материалов с низкими оптическими потерями и оптимизация их геометрии под конкретные задачи. Использование дизайна, уже оптимизированного природой, позволит существенно упростить инженерные расчеты по сравнению с разработкой компонентов с нуля. Кроме того, применение 3D-печати сделает производство таких элементов значительно дешевле традиционной дорогостоящей литографии.
Ранее российские химики представили новый способ создания «умных» тканей. Подробности — в другом материале Hi-Tech Mail.