Иглы-невидимки: ученые разработали способ маскировки наносенсоров для оптики и биомедицины

Международная научная группа, состоящая из ученых НИТУ «МИСиС» и Политехнического университета Турина, разработала модель нового метаматериала, который позволит повысить точность работы наносенсоров в оптике и биомедицине за счет маскировки их от внешнего излучения. Статья о результатах исследования опубликована в журнале Scientific Reports издательского дома Nature.

Разработка модели нового метаматериала, маскирующего наносенсоры, проводится в рамках российско-итальянского проекта ANASTASIA (Advanced Non-radiating Architectures Scattering Tenuously And Sustaining Invisible Anapoles), цель которого — смоделировать, а затем и воссоздать такой метаматериал, который бы позволил делать объекты невидимыми на наноуровне во всех волновых диапазонах.

Развивая международное сотрудничество, ученые НИТУ «МИСиС» активно участвуют в научных коллаборациях с ведущими университетами мира. Еще одним шагом в укреплении тесных связей с зарубежными вузами стал совместный проект с Политехническим университетом Турина, начавшийся в 2017 году, — отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Научно-исследовательские работы ведуться на средства гранта в рамках Программы международного сотрудничества. С российской стороны научную группу возглавляет доцент лаборатории сверхпроводящих метаматериалов, к.т.н. Алексей Башарин«.


«Скрыть большой объект на самом деле проще, чем маленький, — рассказывает аспирантка лаборатории „Сверхпроводящие метаматериалы“ НИТУ „МИСиС“ и главный автор статьи Анар Оспанова. — Существуют различные техники камуфляжа и стелс-технологий. Но когда мы имеем дело с наноразмерными объектами — например, иглами-сенсорами в биомедицине или физике, ситуация усложняется. Обычно наносенсоры соизмеримы исследуемым объектам, поэтому, попадая в среду, очень сильно на нее влияют — изменяют давление в ней, рассеивают излучение, и становится трудно понять, где характеристики иглы, а где — самого объекта. Мы решили „спрятать“ излучение от наносенсоров и таким образом повысить точность их работы».

Основной элемент смоделированного учеными метаматериала — метамолекула, состоящая из четырех цилиндров-диэлектриков из танталата лития — LiTaO3 — радиусом 5 мкм. Образуя своего рода оболочку для наносенсора, диэлектрики взаимодействуют с излучением, и возникает так называемое состояние анаполя — неизлучающего рассеивателя. (рис. 1). В результате объект становится невидимым для внешнего наблюдателя (рис. 2 c). По отдельности все элементы — наносенсор и диэлектрики — рассеивают излучение и сильно искажают картину электрического и магнитного полей (рис. 2 а, b).

Для расчетов был использован металлический проводник радиусом 2.5 мкм, имитирующй наносенсор и обладающий очень высоким волновым рассеиванием, что позволило провести расчеты для максимально возможного уровня излучения. Моделирование проходило в терагерцовом диапазоне, между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами.

В качестве материала метамолекулы ученые использовали LiTaO3 — танталат лития, хотя в зависимости от сферы применения можно применять и другие материалы. В нанооптике, например, можно будет работать с кремнием и германием.

По словам руководителя проекта ANASTASIA со стороны НИТУ «МИСиС», доцента Алексея Башарина, у созданного метаматериала есть перспективы применения в биомедицине, например, за счет использования в качестве оболочки совместимого с человеческим организмом хлорида калия.

«Есть ряд случаев, когда нужно сделать так, чтобы объект не взаимодействовал со светом — например, при доставке лекарств на наноуровне. Наша конечная цель — создать метамолекулу, в которой рассеяние от объекта и его оболочки будут встречаться, нейтрализуя друг друга и делая объект невидимым в соответствующем волновом диапазоне», — Алексей Башарин.

Следующий этап исследования — экспериментальное создание предложенной структуры в лабораторных условиях — запланирован на осень 2018 года.

На данный момент накоплен опыт создания материалов и предметов, прозрачных для очень узкого диапазона излучения и скрывающих объекты только под определенным углом. Задача, которую ставят перед собой участники проекта ANASTASIA, состоит в том, чтобы обобщить опыт создания таких структур и разработать теорию, при помощи которой можно будет смоделировать, а затем и создать метаматериалы, скрывающие объекты под любым углом и в широком диапазоне.

Рисунок 1 — визуализация метамолекулы, состоящей из наносенсора — металлического цилиндра-проводника (в центре) и четырех цилиндров-диэлектриков (по краям), где P — электрический дипольный момент проводника, T — тороидный момент диэлектрической оболочки.

Рисунок 2 — визуализация видимого излучения элементов вне метамолекулы и в форме метамолекулы, где (а) — центральный элемент без оболочки; (b) — элементы оболочки без центрального элемента; © — центральный элемент в оболочке.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»