Учёные переосмыслили понятие «лёгкой еды», создав микролазеры, которые используют натуральные продукты для излучения световых лучей сквозь пищу. И они полностью съедобны. Эти мини-лазерные устройства, первая демонстрация лазерного излучения полностью съедобной системы, могут быть использованы для самых разных целей: от датчиков окружающей среды до систем отслеживания безопасности пищевых продуктов и биоштрихкодов.
Учёные из словенского Института имени Йожефа Стефана успешно создали «съедобные микролазеры», которые полностью соответствуют своему названию – крошечные оптические устройства размером меньше песчинки, которые излучают луч когерентного света, как обычные лазеры. Они изготовлены из биосовместимых и легкоусвояемых материалов, таких как желатин, сахар и красители, а также содержат добавки, уже одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), что означает, что они абсолютно безопасны для употребления в пищу.
Вы можете спросить, почему? Поскольку они крошечные и безопасны для употребления в пищу, а также содержат флуоресцентные соединения, такие как хлорофилл (из оливкового масла) и рибофлавин (витамин B2), их можно широко применять в системах безопасности пищевых продуктов: для отслеживания данных в цепочке поставок, обнаружения изменений температуры и порчи, предотвращения подделки товаров или даже в качестве QR- или штрихкодов.
Чтобы продемонстрировать эту концепцию, учёные закодировали дату в персиковом компоте, используя микролазерный «штрихкод» в приправе. Штрихкод оставался оптически стабильным и читаемым более года. Команда также использовала микролазеры для реагирования на изменения в продукте – уровень pH, температуру, концентрацию сахара – что может найти применение в реальных системах безопасности пищевых продуктов.
Разработка полностью съедобных микролазеров с режимом шепчущей галереи (WGM) и микролазеров Фабри-Перо (FP). Эти лазеры использовались для штрихкодирования и считывания данных, улучшая аутентификацию и снижая риски для здоровья, связанные с различными продуктами. Абдур Рехман Анвар, Маруша Мур, Матьяж Хумар/Институт Йожефа Стефана
«Благодаря чрезвычайно узким спектральным линиям микролазеры обеспечивают исключительную чувствительность к различным факторам окружающей среды», — пишут исследователи. «Они предназначены для измерения концентрации сахара, pH, роста бактерий и воздействия слишком высоких температур. Кроме того, они кодируют множество битов данных, таких как информация о производителе и сроки годности, а также выполняют функции физических неклонируемых функций для защиты от подделок».
По словам исследователей, эти микролазеры созданы из комбинации материалов: флуоресцентных пищевых красителей, желатина, натуральных масел и сахаров, а также пищевых поверхностно-активных веществ и загустителей, таких как ксантановая камедь и лецитин. Исследователи создают из раствора сахара сферические капли, похожие на крошечные желе. В эти капли добавляют съедобные флуоресцентные молекулы, светящиеся на свету. При воздействии на каплю импульсного лазера (используемого в качестве насоса) она усиливает свет посредством резонанса, а затем испускает лазерный луч. Форма капли также позволяет осуществлять специфические световые манипуляции.
Форма капель в первую очередь демонстрирует излучение света в режиме шепчущей галереи, когда свет распространяется по вогнутой поверхности, отражаясь от внутренней. В случае этих микролазеров, описывая внутреннюю сторону краёв капли, свет отражается и усиливается с каждым оборотом. При накачке достаточной энергией сфера будет излучать лазерный свет самостоятельно. Они также продемонстрировали лазер Фабри–Перо, представляющий собой более простую установку с двумя параллельными «зеркалами», расположенными на некотором расстоянии друг от друга.
«Мы продемонстрировали два типа микролазеров: микролазеры с режимом шепчущей галереи (WGM) и микролазеры с резонатором Фабри–Перо (FP), — пояснили исследователи. — Микролазеры накачиваются внешним источником света, например, импульсным лазером. Когда оптическое усиление в резонаторе превышает оптические потери, система достигает порога генерации, испуская лазерное излучение. В данном случае мы использовали только съедобные вещества как для усиливающей среды, так и для резонатора, встречающиеся в природе в пищевых продуктах или в качестве разрешённых пищевых добавок, без каких-либо химических изменений».
Наблюдается генерация WGM на каплях оливкового масла, плавающих в воде, под воздействием синего импульсного лазераАбдур Рехман Анвар, Маруша Мур, Матьяж Хумар/Институт Йожефа Стефана
Образующиеся капли обычно имели диаметр около 10–100 микрометров, что примерно соответствует размеру пыльцевого зерна. И хотя для их активации требовался внешний свет, испускаемый когерентный лазерный луч мог мигать, как обычные микролазеры. Срок их службы зависит от окружающей среды; оптимальными являются сухие условия, поскольку они могут разрушаться быстрее во влажной или влажной среде в зависимости от того, насколько хорошо гель водостойкий. В ходе исследования один лазер работал около 48 часов при контролируемых параметрах влажности.
Хотя эти микролазеры в ближайшее время не заменят светодиоды или мощные устройства, они открывают путь к разработке биосовместимых и устойчивых технологий, которые безопасны для людей, животных и окружающей среды.
«Микролазеры, разработанные в его исследовании, абсолютно безопасны для употребления, не меняют внешний вид и вкус продуктов питания и не наносят вреда окружающей среде», — отметили исследователи. «В отличие от традиционных штрихкодов и датчиков, размещаемых на упаковке, съедобные лазеры можно встраивать непосредственно в съедобные продукты. Они могут значительно улучшить прослеживаемость, безопасность и контроль свежести пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и непищевых продуктов, а также могут использоваться для мониторинга окружающей среды и в биомедицинских целях».
Исследование опубликовано в журнале Advanced Optical Materials .
