Российские исследователи создали «умную» линзу, которая дает возможность управлять безопасным для живых клеток терагерцовым излучением.
Данная новинка может послужить основой для «безвредного рентгена» с высокой разрешающей способностью, а ее способность изменять характеристики под воздействием электричества открывает возможности для создания портативных устройств для визуализации опухолей в различных режимах работы. Эксперты подчеркивают, что разработка способна перенести лабораторные технологии на уровень практического использования в медицине.
Линза для «безвредного рентгена»
Специалисты МФТИ совместно с коллегами из Сколтеха, ИТМО, ИОФ РАН, ИФТТ РАН, а также научными центрами Китая и ОАЭ создали линзу, способную динамически изменять силу терагерцового излучения. Эти электромагнитные волны легко проходят через неметаллические материалы, не нанося вреда живым клеткам. Таким образом, оптический элемент, позволяющий управлять ими, открывает перспективы для создания безопасного аналога рентгена.
— Терагерцовый диапазон волн остается одним из наименее исследованных участков спектра электромагнитного излучения. Это порождает нехватку элементной базы, необходимой для фокусировки излучения. В существующих системах применяются статичные линзы с фиксированными параметрами интенсивности, фокуса и т. п. Основная задача нашей работы заключалась в возможности динамического контроля линзы, что позволит создать адаптивную оптику для медицины. Например, представьте медицинский прибор, который импульсно подает излучение и позволяет изучать реакцию биологических тканей на мощность терагерцового излучения, — рассказала старший научный сотрудник Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ Мария Бурданова.
Терагерцовые волны находятся в уникальной «нише» электромагнитного спектра. Они с легкостью проникают через неметаллические материалы, оставаясь при этом абсолютно безопасными для живых клеток. Это качество делает их безопасной альтернативой рентгену, позволяя «заглянуть» внутрь организма без вреда.
Тем не менее, в мире пока отсутствуют компактные и гибкие системы управления терагерцовыми волнами, включая динамически настраиваемые линзы. Существующие устройства для фокусировки излучения представляют собой статичные и громоздкие конструкции с фиксированными свойствами. Для решения этих проблем ученые разработали ультратонкую линзу на базе углеродных нанотрубок, способную гибко изменять свои оптические характеристики.
— Углеродные нанотрубки не являются единственным материалом, который может обеспечить изменение характеристик линзы. Однако по сравнению с другими «кандидатами» нанотрубки по совокупности свойств выглядят оптимальным и многообещающим решением. Наша команда смогла обеспечить настройку материала на различных уровнях — от атомной упаковки до нового и одностадийного метода создания узоров, что открывает удивительные возможности для науки и технологий в будущем, — отметил старший преподаватель Сколтеха Дмитрий Красников.
В новой линзе свет направляется с помощью набора концентрических колец. Они действуют как фильтры, пропуская только те волны, которые, складываясь и усиливая друг друга, формируют четкую и сфокусированную точку. Оптические свойства изобретения можно изменять с помощью небольшого напряжения: если приложить на контакты всего от -2 до +2 вольт, ионы в жидкости начинают двигаться, создавая двойной слой, как в конденсаторе, «накачивая» пленку из нанотрубок электрическими зарядами. Это делает ее более «прозрачной» или «непрозрачной» для терагерцовых волн. В результате можно дистанционно и плавно регулировать интенсивность луча в фокусе в диапазоне от -20 до +15%.
Ученые уже создали и успешно протестировали в лаборатории прототип, который был запатентован. В настоящее время они работают над увеличением скорости отклика системы, экспериментируя с другими типами электролитов. В будущем планируется разработка многослойных структур из линз с несколькими независимо управляемыми фокусами.
Помимо медицинской диагностики, линзы могут быть использованы в телекоммуникациях, поскольку высокая пропускная способность терагерца может быть применена в устройствах связи 6G, скорость которых в десятки и сотни раз превышает скорость 5G.
Новые диагностические приборы
Созданная линза на основе углеродных нанотрубок идеально подходит для разработки диагностических приборов и систем визуализации, сообщил «Известиям» старший научный сотрудник НОЦ фотоники и оптоинформатики ИТМО Алексей Черных.
— В отличие от пассивных статических линз, наша разработка представляет собой программируемый и перестраиваемый оптический элемент. Она может заменить несколько механических или оптических компонентов, таких как сканеры или наборы сменных линз. Это приводит к упрощению конструкции прибора, повышению его надежности и снижению стоимости, — отметил специалист.
По его словам, разрешающая способность традиционных оптических систем ограничена их фундаментальными свойствами, тогда как новая разработка может преодолеть этот предел и выявить ранее скрытые детали.
Терагерцовое излучение не ионизирует ткани, поэтому безопасно для длительного и частого мониторинга живых объектов. Основное преимущество разработанной линзы — ее адаптивность и управляемость: с помощью приложения можно оперативно изменять интенсивность фокуса, что открывает новые горизонты для создания интеллектуальных диагностических систем, считает самый цитируемый в мире ученый в области биофотоники, заведующий кафедрой оптики и биофотоники СГУ, лауреат национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Валерий Тучин.
— Например, для исследования биологических тканей устройство на основе линзы сможет сначала для более широкого обзора уменьшить интенсивность и найти область с патологией, а затем подсветить нужную область на оптимальной интенсивности для получения максимально четкого и контрастного изображения границ и внутренней структуры опухоли, — добавил ученый.
Для биомедицинских приложений важно, что такие компактные линзы могут быть интегрированы в гибридные схемы с волноводами и эндоскопами. Это позволит создавать портативные устройства для визуализации опухолей и проведения биологических исследований на клеточном уровне, добавил он.
По словам гендиректора группы компаний ST IT, эксперта рынка TechNet НТИ Антона Аверьянова, новая линза ускоряет переход терагерцовых волн из лабораторий в практику, решая проблему нехватки элементной базы и открывая путь к компактным устройствам в медицине, связи и безопасности.
А по мнению эксперта НТИ по технологиям Леонида Дробышевича, благодаря низкой энергии терагерцовое излучение может быть использовано в сканерах систем контроля для визуализации и обнаружения запрещенных предметов и веществ.
Фото: hi-tech.mail.ru