☀️ Как панцирь микроводоросли подсказал учёным новый подход к управлению терагерцовым излучением

Учёные Сколтеха совместно с коллегами из Курчатовского института, ИОФ РАН и ИФТТ РАН изготовили увеличенную в тысячи раз копию узорчатого панциря одноклеточной диатомовой водоросли и подтвердили с её помощью предсказанный ранее оптический эффект в эксперименте с терагерцовыми волнами. Исследование опубликовано в журнале Light: Advanced Manufacturing при поддержке гранта РНФ.

Панцирь диатомеи — природная фотонная структура, чья трёхмерная архитектура работает как дифракционная решётка и перераспределяет проходящее излучение. Эволюция «научила» водоросль фокусировать солнечный свет, создавая внутри эффект Тальбота — чередующиеся световые узоры, направляющие энергию к фотосинтезирующим органеллам.

Учёные увеличили структуру в 2 тысячи раз — это позволило наблюдать эффект уже в терагерцовом диапазоне, ведь вместе с размерами решётки сдвигается и взаимодействующее с ней излучение. Однако масштабирование создало новую задачу: воспроизвести сложную 3D-структуру. Для этого потребовались сотни снимков с микроскопов под разными углами, реконструкция геометрии и оптимизация параметров LCD-печати.

ТГц-излучение безопасно для организма (в отличие от рентгена), чувствительно к молекулам воды и перспективно для диагностики рака кожи и неразрушающего контроля материалов, проникая в диэлектрики и выявляя дефекты. Но для работы с ним пока не хватает линз, зеркал и дифракционных элементов — увеличенная копия панциря водоросли может стать их прообразом.

«Следующим шагом может стать переход от демонстрационной масштабированной модели к целенаправленному проектированию диатомоподобных структур: подбор материалов с низкими оптическими потерями и оптимизация их геометрии под конкретные задачи. При этом работа с оптимизированным природой дизайном существенно упростит расчёты по сравнению с проектированием компонентов с нуля, а 3D-печать сделает производство дешевле, чем при использовании дорогостоящей литографии», — прокомментировала результаты исследования один из его авторов и руководитель грантового проекта, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Юлияна Цветинович.

«Эта работа — хороший пример взаимодействия учёных из вузов с одной стороны и НИИ в системе академии наук и за её пределами с другой, — отметил научный руководитель исследования профессор Дмитрий Горин, заведующий Лабораторией биофотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — Кроме того, примечательно, что иногда — и это как раз тот случай! — масштабирования объекта, позволяет упростить эксперимент, не теряя в качестве получаемой физической картины явления».

Сколтех входит в группу ВЭБ.РФ.