Команда российских исследователей воссоздала природную дифракционную решетку диатомовой водоросли в увеличенном формате. Представляем детали эксперимента и возможные направления для создания компактных оптических компонентов.
Исследователи из Сколтеха совместно с коллегами из Курчатовского института, ИОФ РАН и ИФТТ РАН осуществили уникальный эксперимент. Им удалось создать увеличенную в тысячи раз копию панциря микроскопической диатомовой водоросли и подтвердить с её помощью оптический эффект, который ранее существовал только в теории.
Диатомовые водоросли имеют сложный трехмерный панцирь, который функционирует как природная дифракционная решетка. Эволюция адаптировала его структуру для фокусировки солнечного света под водой, используя эффект Тальбота. Ученые решили адаптировать этот природный механизм для перспективного терагерцевого (ТГц) диапазона излучения. Из-за того, что волны этого диапазона значительно длиннее видимого света, исследователям пришлось увеличить геометрию панциря примерно в 2000 раз. Это позволило наблюдать тот же физический эффект, но уже в радиочастотном спектре, более удобном для экспериментов.
Основной задачей стало физическое воспроизведение такой сложной формы. Для реализации многослойной сети отверстий природного оригинала команде потребовалось объединить сотни изображений, полученных с помощью сканирующего электронного и атомно-силового микроскопов. Итоговую модель напечатали на LCD-принтере с использованием фотополимерной смолы.
Эффект Тальбота в ТГц-диапазоне изучался ранее только на простых плоских решетках. Исследование российских ученых стало первым экспериментальным подтверждением того, что сложные биологические структуры способны управлять этим излучением.
Терагерцовое излучение считается безопасным для человека, но при этом чувствительно к молекулам воды в тканях. Это делает его отличным кандидатом для неинвазивной диагностики рака кожи или выявления внутренних дефектов в промышленных материалах. Однако развитию технологий препятствует нехватка подходящих линз и зеркал для работы с ТГц-волнами. Увеличенная копия панциря водоросли может стать основой нового компактного элемента для управления волновым фронтом.
По словам экспертов, следующим этапом станет переход от демонстрационной масштабированной модели к целенаправленному проектированию диатомоподобных структур: выбор материалов с низкими оптическими потерями и оптимизация их геометрии для конкретных задач. Применение дизайна, уже оптимизированного природой, значительно упростит инженерные расчеты по сравнению с разработкой компонентов с нуля. Кроме того, использование 3D-печати сделает производство таких элементов гораздо дешевле традиционной дорогостоящей литографии.
Фото: hi-tech.mail.ru