Технология имплозионной резьбы использует лазеры для образования вакансий в гидрогеле, разрывая связи посредством активных форм кислорода для получения точных пустот.
Исследователи разработали новую технологию уменьшения размеров, позволяющую создавать крошечные трехмерные фотонные устройства, способные манипулировать видимым светом. Метод, получивший название имплозионной резьбы (ImpCarv), создает вакансии внутри материала, а затем уменьшает его объем почти до 1/2000 от первоначальной величины, создавая наноструктуры с высокодетализированными элементами.
Команда Массачусетского технологического института (MIT) создала устройства различной сложной формы, включая спирали и конструкции, вдохновленные крыльями бабочки. Этот прорыв может стать основой для будущих оптических вычислительных систем и других технологий, основанных на управлении светом в чрезвычайно малых масштабах. «Мы рассматриваем ImpCarv как масштабируемую и экономически эффективную платформу для создания наноточных 3D-метаструктур», — говорится в исследовательской работе команды.
Лазерное изготовление вакансий
Фотонные устройства, которые манипулируют светом и передают его, могут служить энергоэффективной альтернативой полупроводниковым чипам в будущих оптических вычислительных системах. Однако существующие методы производства с трудом справляются с достижением разрешения в 100 нанометров, необходимого для управления видимым светом, длина волны которого колеблется от 380 до 750 нанометров.
Двухфотонная литография позволяет создавать трехмерные наноструктуры с помощью света, но ее разрешение остается выше 100 нанометров. Электронно-лучевая литография позволяет создавать более мелкие элементы на кремниевых чипах, хотя она ограничена плоскими двумерными структурами.
Для преодоления этих ограничений исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод, называемый «имплозионной резьбой», основанный на более ранней концепции имплозионной обработки. Эта техника использует лазер для создания крошечных вакансий внутри гидрогеля путем возбуждения фотосенсибилизирующего красителя, который генерирует активные формы кислорода. Эти реактивные молекулы разрывают химические связи гидрогеля, образуя точно направленные пустоты с оптическими свойствами, отличающимися от окружающего материала, сообщает MIT News.
После формирования вакансионной структуры гидрогель сжимается в два этапа, включающих ионную обработку и сверхкритическую сушку. Материал сжимается более чем в десять раз по каждому измерению, уменьшая свой объем примерно в 2000 раз, при этом сохраняя наноразмерные характеристики.
Миниатюрные оптические сети
Чтобы продемонстрировать гибкость своей методики, исследователи создали несколько сложных трехмерных структур, включая спираль и конструкцию, вдохновленную крылом бабочки. Некоторые из этих структур были слишком тонкими и имели слишком большое соотношение сторон, чтобы их можно было изготовить с помощью традиционных методов двухфотонной литографии.
Команда также разработала фотонное устройство, способное выполнять простую задачу классификации цифр, обычно используемую для оценки нейронных сетей. В ходе демонстрации устройство получало на вход цифру, например, 1 или 5, и подсвечивало определенное место на выходе, соответствующее обнаруженному числу, говорится в пресс-релизе.
Устройство работало за счет тщательно структурированных вакансий, распределенных по всей структуре гидрогеля. Когда свет проходил через несколько структурированных слоев, вакансии преломляли падающий свет, позволяя выходному сигналу зависеть от формы цифры, введенной в систему. Исследователи описали эту установку как чисто оптическую систему, способную выполнять оптические вычисления.
По словам исследователей, эта технология позволяет контролировать свойства материалов в миллионах крошечных точек, создавая сложные задачи проектирования, которые можно решить с помощью алгоритмов глубокого обучения для оптимизации производительности оптической системы.
Теперь исследователи планируют применить те же принципы к оптическим устройствам, способным классифицировать клетки, протекающие через микрофлюидные системы, что потенциально позволит обнаруживать редкие циркулирующие опухолевые клетки в образцах крови. Этот метод также может поддерживать высокопроизводительную визуализацию и изготовление 3D-нанофлюидных устройств.
Sourse: interestingengineering.com
