Бьет лучом: управляемая линза позволит создать «безвредный рентген»
Российские ученые разработали «умную» линзу, которая позволяет управлять безопасным для живых клеток терагерцовым излучением. Новинка может стать основой для «безвредного рентгена» с высокой детализацией изображения, а ее способность менять свойства под действием электричества открывает путь к созданию портативных приборов для визуализации опухолей в различных режимах работы. Эксперты отмечают, что разработка способна вывести пока лабораторные технологии на уровень практического применения в медицине.
Линза для «безвредного рентгена»
Специалисты МФТИ вместе с коллегами из Сколтеха, ИТМО, ИОФ РАН, ИФТТ РАН и научных центров Китая и ОАЭ создали линзу, способную динамически менять интенсивность терагерцового излучения. Такие электромагнитные волны легко проходят сквозь неметаллические материалы, не нанося никакого вреда живым клеткам. Поэтому оптический элемент, который позволяет управлять ими, открывает возможность создания безвредного аналога рентгена.
— Терагерцовый диапазон волн остается одним из наименее изученных участков спектра электромагнитного излучения. Это создает дефицит элементной базы, необходимой для фокусировки излучения. В существующих системах используются статичные линзы с заданными параметрами интенсивности, фокуса и т.п. Основная цель нашей работы заключалась в возможности динамического контроля линзы, что позволит создать адаптивную оптику для медицины. Например, представьте медицинский аппарат, 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 особой «нише» электромагнитного спектра. Они с легкостью проникают сквозь неметаллические материалы, оставаясь при этом абсолютно безопасными для живых клеток. Это свойство делает их безопасной альтернативой рентгену, позволяющей «заглянуть» внутрь организма, не причиняя вреда.
Однако 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 жестко заданными при производстве свойствами. Для преодоления этих ограничений ученые разработали ультратонкую линзу на основе углеродных нанотрубок, способную гибко менять свои оптические характеристики.
Одностенные углеродные нанотрубки в лаборатории
— Углеродные нанотрубки — не единственный материал, который способен обеспечивать изменение характеристик линзы. Тем не менее по сравнению с другими «кандидатами» нанотрубки по совокупности свойств выглядят оптимальным и перспективным решением. Нашей команде удалось обеспечить настройку материала на разных уровнях — от атомарной упаковки до нового и одностадийного метода создания узоров, который открывает удивительные возможности для нашей науки и технологий в будущем, — сказал старший преподаватель Сколтеха Дмитрий Красников.
В новой линзе свет направляется набором из концентрических колец. Словно фильтры они пропускают только те волны, которые, складываясь и усиливая друг друга, создают четкую и сфокусированную точку. Менять оптические свойства изобретения можно с помощью небольшого напряжения: если подать на контакты всего от –2 до +2 вольт, ионы в жидкости начинают движение, 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 испытали в лаборатории прототип и запатентовали изобретение. Сейчас они работают над увеличением скорости отклика системы, экспериментируя с другими типами электролитов. В будущем они планируют создать многослойные структуры из линз с несколькими независимо управляемыми фокусами.
Кроме медицинской диагностики, линзы можно применять в телекоммуникации, так как гигантская пропускная способность терагерца может использоваться для устройств сотовой связи 6G, скорость которой в десятки и сотни раз выше, чем у 5G.
Новые диагностические приборы
Разработанная линза на основе углеродных нанотрубок идеально подходит для создания диагностических приборов и систем визуализации, рассказал «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 способна заменить несколько механических или оптических компонентов, таких как сканеры или наборы сменных линз. Это напрямую ведет к упрощению конструкции прибора, повышению его надежности и снижению стоимости, — сказал специалист.
По его словам, разрешающая способность классических оптических систем ограничена их фундаментальными свойствами, а новая разработка может преодолеть этот предел и увидеть за счет этого скрытые ранее 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 перспективы для разработки 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 снизить интенсивность и найти область с патологией, а уже затем подсветить необходимую область на оптимальной интенсивности для получения максимально четкого и контрастного изображения границ и внутренней структуры опухоли, — сказал 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, 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 использоваться в сканерах систем контроля для визуализации и обнаружения запрещенных предметов и веществ.
