Исследовательские коллективы российских научных центров сделали важный шаг в области лазерной нанофабрикации, предложив эффективный и технологически простой способ получения современных сенсорных подложек и создания новых типов функциональных материалов — так называемых метаповерхностей. Новейшая методика позволит быстро и экономично изготавливать сенсоры для анализа химических, экологических и биологических объектов, а также создавать перспективные материалы с уникальными оптическими свойствами.
Метаповерхности: инновационный класс материалов в российской науке
Метаповерхности представляют собой искусственные структуры, специально созданные для целенаправленного управления электромагнитными волнами: их амплитудой, фазой, а также поляризацией. Благодаря контролю параметров проходящего через них света, такие материалы находят востребованность в различных сферах — от высокоточной спектроскопии до разработки новых сенсорных элементов. Гибкость их свойств определяет рост интереса к поиску простых и доступных способов создания подобных покрытий.
Роль российских научных организаций и ведущих специалистов
В разработке новой технологии ключевую роль сыграли сразу несколько ведущих российских научных коллективов, в числе которых — Физический институт им. П.Н. Лебедева, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН/ДВФУ и Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева. Объединенные усилия ученых позволили реализовать идею впервые, использовав дифракционные оптические элементы, изготовленные на кварцевых подложках, для высокоскоростной и высокоточной лазерной нанофабрикации.
Признанной школой в этой области в России является научное направление дифракционной оптики, основанное и развиваемое на протяжении более 30 лет под руководством академика Виктора Сойфера. Самарский университет сегодня занимает лидирующие позиции в стране по технологическим и программным разработкам, необходимым для создания и практического использования дифракционных оптических элементов в лазерной технологии.
Технологический прорыв: лазерная абляция и управление световыми пучками
В основе новой методики лежит использование лазерной абляции — удаления вещества с поверхности путем воздействия мощными лазерными импульсами. Современные импульсные лазеры позволяют добиваться исключительной точности, а за счет внедрения продуманных дифракционных оптических элементов появляется возможность формировать так называемые структурированные пучки из множественных световых "пятен". Это дает уникальный контроль над процессом абляции и позволяет обрабатывать значительные площади материалов с высочайшей скоростью и воспроизводимостью.
В результате ученые научились "печати" микроотверстий в тонких плёнках золота на скоростях, превышающих 10⁷ элементов в секунду, что само по себе является абсолютным достижением для подобных процессов и открывает перспективы массового выпуска сенсорных и функциональных покрытий.
Преимущества нового метода и будущее лазерных технологий
Главное преимущество российской технологии — ее простота и доступность в масштабах лабораторий и промышленных производств. Лазерная нанофабрикация с применением структурированных пучков становится одновременно бюджетной, "чистой" и чрезвычайно производительной методикой. На выходе формируются метаповерхности с заданными свойствами, которые могут быть детально охарактеризованы при помощи стандартного лабораторного оборудования.
Перспективы развития этого подхода уже намечены: ученые строят планы расширить возможности метода, увеличивая скорость формирования структур до 10⁹ элементов в секунду, при этом сохраняя высочайшее — на уровне 1 микрометра — пространственное разрешение. Такой уровень производительности и точности приведет к массовому внедрению инновационных микросенсоров и оптических компонентов в самых различных сферах — от биотехнологий до экологии.
Вклад в отечественную науку и поддержку инноваций
Исследования поддерживаются грантами Российского научного фонда, что свидетельствует о значимости проекта для национальной научно-технической стратегии. Сочетание мощных инфраструктурных ресурсов, опыта команд научных институтов и поддержки научных фондов обеспечивает стабильное развитие новых технологий, востребованных отечественной и мировой промышленностью.
Как отмечают специалисты, наработанные методики уже сегодня позволяют экономично и быстро изготавливать сложные оптические покрытия с заранее заданными свойствами. В будущем подобные сенсоры и метаповерхности смогут применяться в системах неразрушающего анализа биологических образцов, контроле качества продуктов, разработке новых медицинских диагностических протоколов и в высокоточных спектроскопических исследованиях.
Развитие: к доступным современным сенсорам и оптике
Ученые убеждены, что благодаря совершенствованию метода лазерной нанофабрикации Россия выйдет на совершенно новый уровень в производстве оптических сенсоров и микросистем. Дальнейшая оптимизация процессов приведёт к появлению на рынке доступных устройств — как активных, так и пассивных оптических элементов и сенсоров, устойчивых к воздействию окружающей среды и способных функционировать в самых разных условиях. Это сделает высокие технологии ближе и доступнее для различных отраслей промышленности, медицины и научных исследований.
Открытия и практическая реализация новых методов стали возможны благодаря принципиальному синтезу теоретических исследований, передового программного обеспечения и уникальных технологических наработок, которыми славятся российские научные институты и коллективы. Такой междисциплинарный подход гарантирует дальнейший успех отечественной науки на международной арене.
Источник: scientificrussia.ru
