Георгий ЗОГРАФ, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО:
— Глобальная цель нанофотоники как такого раздела оптики — это переход от классических электронных устройств хранения и передачи информации к оптическим.
Вызвано это двумя причинами: во-первых, в природе ничего быстрее света не распространяется. Соответственно, если мы научимся передавать, хранить и распространять сигналы при помощи света, мы добьемся максимально возможных скоростей и производительности. Вторая причина — это классические электронные приборы. Устройства у нас греются. Вы же знаете — по проводам течет ток. Он заставляет проводники греться. Это вызывает всякие периодические эффекты, от которых сложно потом избавиться. В принципе оптика может решить все эти проблемы, но возникают сложности: если, скажем, в качестве сигнала в классических компьютерах и телефонах у нас выступает ток — соответственно, носителем, переносчиком тока являются заряженные частицы (в частности, электроны), то в данном случае нам для перехода на оптическую коммуникацию и способы хранения данных нужно научиться передавать особым образом свет.
Соответственно, нам нужны и наноразмерные источники света. В частности, наноразмерными источниками света занимаемся и мы на основе перовскитов. Чем они хороши? Тем, что мы можем создавать такие наноразмерные источники света, у которых длина волны испускаемых фотонов будет различной. Это будет означать, что мы, меняя длину волны, можем спокойно менять информацию и сигнал, который мы хотим передать по оптическим сетям.
Конкретно я занимаюсь нанофотоникой. Вы видели, что на двери лаборатории написано: «Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники»? Вот нанофотоника — это то слово, которое лучше всего будет охарактеризовывать то, чем я занимаюсь. В качестве своей магистерской работы я занимался кремниевыми наночастицами, которые способны, на самом деле, эффективно греться на наномасштабе при помощи света. При всем при этом они еще могут служить в качестве наноразмерных термометров. Они таким образом рассеивают свет от себя, что по частоте этого рассеянного света можно определять изменение частоты — насколько у нас нагрелся наш объект или область, которую мы пытаемся изучить.
Это, на самом деле, был такой очень интересный результат. И в какой-то степени прорывной, потому что до этого для задачи оптического нагрева использовались металлические частицы в основном, которые лишены такого температурного отклика. Соответственно, для того чтобы измерять температуру на наномасштабе, приходилось использовать сложные многостадийные этапы производства, фабрикации. Но не всегда это применимо для некоторых областей в биологии и медицине.
И вот такая концепция, которую мы предложили, теоретически рассчитали и экспериментально подтвердили, она может каким-то образом помочь упростить процесс детектирования температуры на наномасштабе. Эту идею мы некоторым образом развили. Мы, например, научились создавать такие упорядоченные структуры (модное слово сейчас — метаматериалы, метаповерхности). И вообще, классическим образом в изготовлении таких метаматериалов и метаповерхностей на наномасштабах используют литографы. Это такие аппараты, большие машины, которые умеют точным образом, светом, электронно вырезать то, что мы хотим. Ну знаете, мы переходим в FabLab и вырезаем — вот такое можно делать и на наноуровне. Но сложность состоит в том, что, если мы хотим как-то очень точно наши оптические свойства подстроить с помощью метаповерхностей и метаматериалов, литограф нам уже не будет подходить. Соответственно, мы научились создавать такие кремниевые метаповерхности, и при помощи вот этого прекрасного свойства материала (кремния, который имеет температурный отклик) мы можем засвечивать эти метаповерхности очень локально. А также очень локально нагревать их и в какой-то момент, превосходя порог плавления, можем менять структуру метаповерхности.
Например, у нас есть метаповерхность из шариков, каких-то цилиндров. Мы можем один цилиндр просто расплавить — таким образом, если мы представим, возникнет такой квадратик 3×3, и если мы расплавили центральный цилиндр, то в нем ничего нет. Соответственно, оптические свойства могут очень сильно измениться. Этому есть тоже интересное приложение вот такого оптического нагрева. Вот как температура на наномасштабе для фабрикации.
Из самых свежих исследований, которые мы сейчас ведем, — это создание таких терморазрушаемых полимерных капсул для адресной доставки лекарственных средств. Такие полимерные капсулы представляют собой карго-коробочку, внутри которой помещаются лекарственные препараты. Это достаточно очевидно: классическая капсула, которую мы принимаем с завтраком, биоразлагаема. Мы принимаем лекарство, и через какое-то время оно впитывается в стенки желудка или еще куда-то. Именно поэтому капсулы и таблетки просят не резать пополам, а именно целиком принимать — ведутся исследования, чтобы они в нужный момент времени растворялись.
Соответственно, если ты их ломаешь, это не очень хорошо сказывается на их действии. И вот такие наноразмерные, микроразмерные капсулы с помещенными внутрь лекарственными препаратами уже используются в медицине, и в основном как раз используются биоразлагаемые капсулы. Мы подумали, что потенциал есть в том, чтобы температурно разрушать эти капсулы. Например, у нас есть какой-то лекарственный препарат, помещенный в это карго, который каким-то образом покрывается специальными биологическими молекулами (может быть, полимерными), которые такими маленькими крюками могут в нужную область прицепиться, а дальше дело остается за малым.
Наши коллеги-биологи умеют создавать такие молекулы-крюки, которые умеют приставать к определенным клеткам. И дальше нам нужно создать эту капсулу, чтобы доставить лекарственные средства и победить всякие болезни. Мы предложили: «А давайте будем светить лазером, который не нанесет никакого вреда организму, но при этом очень эффективно может нагревать эти маленькие частицы, которые можно поместить как раз в стенки этих полимерных капсул?» И аккуратно повышая интенсивность, получая информацию о температуре, которую мы умеем измерять при помощи рассеивания, в частности, кремниевых частиц, мы можем (плавно поднимаясь с низких температур) добиться терморазрушения капсулы.
И всё! Таким образом мы вызволим из капсулы лекарственные препараты, минимально потревожив здоровые клетки и сам организм.
Редакция «Чердака»
