Хіміки навчилися осаджувати з розчину оптичні елементи

Дослідники з Гарварда описали, яким чином у сольовому розчині відбувається утворення мікроструктур різної форми. Користуючись своєю моделлю, вони змогли виростити структури з заданими параметрами, в тому числі мікроскопічні оптичні елементи, що проводять світло. Стаття опублікована в журналі, а прочитати коментарі авторів про своє дослідження можна на сайті інституту Вісса.

Мікроструктури заданої форми знаходять широке застосування в сучасній електроніці та оптиці. Однак методи, які використовуються при їх створенні, такі як літографія і 3D-друк, або дороги і трудовитратні, або недостатньо точні. Перспективний спосіб створення фігур різної форми вчені «підглянули» в природі - адже закручена раковина молюсків або скелет морського їжака формуються в результаті відносно простих (порівняно з літографією) хімічних процесів, які регулюються досить вузьким діапазоном умов навколишнього середовища. Надихнувшись існуванням біомінералізації, співробітники Гарвардського університету в 2013 році виростили мініатюрні квітники, створені з відкладень оксиду кремнію з карбонатом барію, і хімію процесу описали в статті в. Якщо через лужний розчин хлориду барію і метасилікату натрію пропускати вуглекислий газ, у ньому починають випадати нерозчинні кристали карбонату барію, при цьому на кордоні з середовищем локально знижується pH (кислотність), що призводить до відкладення на їх поверхні шару оксиду кремнію. Шари формують тонкощені структури різної форми. Залежно від початкового pH розчину, ці структури або ростуть прямо вгору, утворюючи чаші або вази, або починають закручуватися, утворюючи пелюстки і спіралі типу макаронін.

У своїй новій статті дослідники підвели математичну базу під процес формоутворення, і склали модель, в якій один з параметрів (qb) залежав від pH. Змінюючи цей параметр і симулюючи процес на комп'ютері, автори змогли отримати структури заданої форми. Вони з'ясували, що маніпулюючи кислотністю середовища під час зростання структур, можна перемикати процес з «прямого» режиму в режим закручування, а також змінювати їх розмір.

Деякі мікрокомпоненти, які використовуються у фотоніці, такі як хвилеводи і віддзеркалювачі, завдяки своїй формі ідеально підходять для вирощування в розчині. Скориставшись своєю математичною моделлю, вчені змогли осадити з розчину на підкладку так звані брегівські дзеркала - відображачі світлових хвиль, які входять до складу оптоволокна. За структурою ці відображення нагадують цибулину. Щоб переконатися, що отримані компоненти дійсно проводять світло (є оптично активними), у вихідний розчин солі барію додали як присадку флуоресцентний барвник, в результаті чого точка зростання структури набула здатність флуоресціювати в присутності джерела світла. На наступній стадії зростання барвника в середовищі не було, і центральна частина структури його не містила. Незважаючи на це, структури ефективно проводили світло від флуоресцентного кристала до кінчика. Дослідники виростили скульптури у вигляді спіралів, коралів і трубок, і всі вони мали здатність проводити і розподіляти світло.

Таким чином, фотоніка запозичила в біології витончене рішення щодо створення функціональної оптичної мікроархітектури. Напевно це буде не єдина біо-ідея, втілена в життя співробітниками інституту Вісса, де працюють кілька авторів статті, адже повна назва цієї організації звучить приблизно як «Інститут навіяних природою розробок» (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).