Фізики зробили їстівні голограми з кукурудзяного сиропу і ванільного екстракту

Фізики розробили методику створення голографічних зображень на їстівних цукрових платівках з кукурудзяного сиропу і ванільного екстракту. Для оптимізації створеної техніки вчені досліджували оптичні властивості цукрових дифракційних решіток, а також продемонстрували можливий вид отримуваних таким чином голограм. Потенційно така технологія може бути використана в харчовій промисловості в цілому ряді завдань: наприклад, як в якості прикраси кондитерських виробів, так і для перевірки складу продукту. Стаття опублікована в журналі.

Оптична голограма, на відміну від звичайної фотографії, зберігає в собі інформацію не тільки про колір та інтенсивність реєстрованого світла, але і фази хвиль, що приходять від об'єкта, що нас цікавить. Це можливо завдяки тому, що в ході запису голограми на реєструючу платівку направляються одночасно дві хвилі світла від одного джерела: одна (опорна) відразу ж потрапляє на фотопластинку або інший реєструючий матеріал, а інша (об'єктна) попередньо відображається від предмета, який хочеться відобразити. У результаті інтерференції цих двох хвиль у матеріалі майбутньої голограми виникають області максимумів і мінімумів інтенсивності падаючого на неї світлового поля, які перетворюють фоточутливу платівку на хитромудру дифракційну решітку. Якщо таким чином записати голограму, а потім посвітити на неї опорною хвилею з тими ж характеристиками, що і при записі, то в ході дифракції при взаємодії з фотопластинкою ця хвиля перетворюється на копію шуканої об'єктної хвилі. Тобто на виході спостерігач побачить об'ємне зображення вихідного об'єкта.

Крім очевидної переваги голографії в повноті записуваної інформації про об'єкт, у такого методу реєстрації зображення є ще одна особливість: навіть маленька частина голограми (наприклад, після її пошкодження або роздроблення на маленькі частини) зберігає інформацію про всі зареєстровані об'єкти. Тобто навіть часткова втрата голограми не призводить до втрати почесного зображення, хоч і тягне за собою зменшення діапазону доступних ракурсів і погіршення чіткості. Тим не менш, особливо широкого практичного застосування голограми поки не вишукали, в першу чергу через складні процеси запису і відтворення: у них має використовуватися потужне джерело монохроматичного світла, роль якого зазвичай відіграє лазер.

Але фізики не впадають у відчай і продовжують шукати способи технічно спростити методи голографії і знайти їй застосування в повсякденному житті. Так, у голографії великий потенціал для застосування в харчовій області: їстівні голограми могли б бути не тільки приємною окрасою і підвищити привабливість різних продуктів харчування, а й захистити споживача від неякісної або підробленої їжі. У цьому випадку, однак, до проблеми технологічної складності запису голограми додаються і обмеження на реєструючий фотоматеріал: він повинен бути не тільки їстівним, але і стійким до розкладання, а також не повинен ускладнювати процес реєстрації світлового поля об'єкта, що зображується. Тепер же з'ясувалося, що таким вимогам добре відповідають платівки з тонкого шару висушеного розчину кукурудзяного сиропу з ванільним екстрактом. До такого висновку прийшов Бадер АльКаттан (Bader AlQattan) з Бірмінгемського університету разом з колегами у своєму дослідженні дифракційних властивостей цукрових фотопластинок, опромінених лазером за схемою запису Денисюка.

Вихідні платівки товщиною 100 мікрон вчені отримували в процесі тригодинного висушування розчину, який складався з 1,5 мілілітра ванільного екстракту, 2 мілілітрів цукрового сиропу і 0,5 мілілітра води. Цей склад фізики віддали перевагу завдяки тому, що отримані таким чином платівки виявилися тверші ніж ті, в яких було менше ванільного екстракту. Потім фізики напилювали на цукрові платівки шар чорного барвника товщиною в 900 нанометрів, щоб посилити поглинання лазера з подальшою абляцією, завдяки якій на поверхні платівок виникали дифракційні структури. Саме опромінення відбувалося за схемою, схожою на схему запису Денисюка: опорна хвиля лазера (з довжиною хвилі в 1064 нанометри) проходила крізь цукрову платівку і відбивалася від дзеркала (на місці якого в класичному випадку мав би стояти зображуваний об'єкт), формуючи об'єктну хвилю. В рамках такої схеми інтерференційні максимуми і мінімуми на платівці розташовувалися паралельно один одному, а значить в результаті опромінення цукрова платівка перетворювалася на класичну дифракційну решітку, період якої дослідники могли варіювати за рахунок змінюваного кута положення платівки в ході опромінення.

Для вибору оптимальних параметрів опромінення вчені варіювали кут, під яким вихідна хвиля падала на цукрову платівку, а також змінювали вміст цукру у вихідному розчині. Виявилося, що найбільшою ефективністю володіли дифракційні платівки, отримані при опроміненні лазером під кутом в 35 градусів, що відповідало періоду дифракційної решітки в 1050 нанометрів. Для такої платівки, як і очікувалося, фізики отримали найбільші кути положення першого максимуму дифракційної картини при опроміненні монохроматичним світлом і найширші спектри при опроміненні білим світлом. Додавання цукру у вихідний розчин, у свою чергу, призводило до збільшення показника заломлення цукрової пластини і до зменшення кута першого максимуму отриманої таким чином дифракційної решітки. Це означає, що за оптичними властивостями таких структур можна, в тому числі, стежити за складом речовини, з якої вони зроблені (або в якій вони знаходяться).

Нарешті, дослідники показали приклади можливих їстівних райдужних голографічних зображень, щоб продемонструвати, як описана технологія може бути застосована на практиці. Фізики відзначили, що розроблений ними метод голографії не вимагає багато часу і ресурсів, а отримані результати в майбутньому можуть бути застосовані для створення більш складних голограм або інших наноструктур на їстівних носіях. Вчені відзначили і те, що отримані структури зберігали свої оптичні властивості протягом декількох місяців, а значить стійкі до зносу і деградації. У справжній роботі, однак, на поверхню цукрових платівок напилювався синтетичний барвник. Хоч він і не був токсичним і майже весь видалявся в ході опромінення лазером, для реального використання технології в харчовій індустрії її необхідно адаптувати з використанням харчових барвників.

Крім кукурудзяного сиропу з ванільним екстрактом як основу для голограм можна використовувати й інші солодощі: раніше ми розповідали, як інженеру вдалося записати голограми на поверхні шоколаду. Також голограми можна створювати і на квантовому рівні, а тиждень тому у фізиків вийшло зробити це навіть без прямого накладення хвиль.