В НИТУ «МИСиС» создан прототип датчика, способный «узнавать» даже отдельные молекулы

Сотрудники лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» придумали, как серьёзно упросить работу с одними из самых перспективных веществ XXI века – метаматериалами, и продемонстрировалои эффект, предсказанный академиком Зельдовичем ещё 50 лет назад.

Метаматериалы — это композиционные материалы, представляющие собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today. Свойства метаматериалов определяются, скорее, даже не характеристиками составляющих их веществ, а именно искусственно созданной структурой. Поиск и создание таких структур – одно из самых перспективных направлений в материаловедении.

Хотя поиск новых метаматериалов – фундаментальная задача, для ряда таких веществ уже найдены практические применения. Благодаря метаматериалам можно, например, преодолеть дифракционный предел, который накладывает ограничения на разрешающую способность микроскопов, или еще больше уменьшить размер микросхем.

Метаматериалы, «работающие» в оптическом диапазоне, синтезировать очень сложно. Проводимые с «оптическими» метаматериалами опыты также чрезвычайно трудоемки и дороги. Работая в оптическом диапазоне, ученым пришлось бы создавать метаматериалы с ячейками наноуровня: либо создавать в полупроводниках (например, кремнии) наноструктуру, вырезая ячейки при помощи лазерного луча, либо выращивая наночастички полупроводника определенного размера, что ещё сложнее.

Ученые НИТУ «МИСиС» выяснили, что трудозатраты и стоимость эксперимента можно снизить, перейдя из оптического диапазона (400-700 нм) в область сверхдлинных радиоволн (длиной в 7-8 см): физика процесса от такого масштабирования не изменяется, зато технология их создания значительно упрощается.

Студенту 2-го курса магистратуры университета Ивану Стенищеву и научному сотруднику лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», к.т.н, доценту Алексею Башарину удалось рассчитать несколько новых структур, которые теоретически могли обладать свойствами метаматериалов, а затем подтвердить свои выкладки экспериментально: ученые создали метаматериалы буквально из воды, стекла и воздуха. Исследователи не только показали работоспособность новых метаматериалов, но и нашли им практическое применение». Работа оказалась достойной публикации в одном из самых высокорейтинговых журналов мира Scientific Reports издательского дома Nature.

«Изучать метаматериалы в оптическом диапазоне очень дорого и сложно, каждый такой образец может стоить тысячи евро, – подчеркнул научный руководитель работы Алексей Башарин. – К тому же, вероятность ошибки при формовании такой системы очень высока даже с применением самых высокоточных инструментов. Однако можно использовать более длинные волны и создать более крупномасштабный метаматериал».

Более того, исследователям пришла в голову идея заменить дорогие керамические диэлектрики на дистиллированную воду, которая по сравнению с керамикой практически бесплатна, но при 25 градусах Цельсия обладает сравнимыми характеристиками.

«Эксперимент показал, что созданная структура обладает свойствами тороидного метаматериала: нам удалось на практике зафиксировать электромагнитные поля рассчитанной в теоретической части работы конфигурации, – рассказывает магистрант Иван Стенищев. – Причем, и для случая заполненных водой стеклянных трубочек – водяных ячеек в воздушной среде, объединенных в метамолекулы из четырех частиц и моделирующих тем самым наночастички оптического метаматериала, и для случая полых трубок в водяном аквариуме, имитирующих структуру из сплошной пластинки оптического метаматериала с вырезанной лазером наноструктурой».

Изучая свойства созданных метаматериалов, авторы работы показали, что у такого типа веществ есть сразу несколько практических применений. Прежде всего, это сенсоры сложных молекул, которые, попадая в поле метаматериала, начинают флюоресцировать в оптическом диапазоне (проще говоря – светиться). Таким способом можно определять даже единичные молекулы, что потенциально выводит судебную криминалистику, например, на совершенно новый уровень. Кроме того, при помощи такого метаматериала можно менять частоту падающего излучения на любую другую. То есть, его можно использовать как модулятор волны определенной частоты. Это необходимо для максимально эффективного воздействия на другие молекулы (например, чтобы запустить химическую реакцию). Также такой метаматериал можно использовать как светофильтр, выделяя из падающего излучения свет определенной длины. Он также применим как основа для создания сверхнадежной магнитной памяти, потому что структура метамолекул не дает соседним ячейкам метаматериала перемагничивать друг друга, а также для элементов оптического компьютера. Как показал эксперимент, проведенный авторами работы в специально созданной «безэховой» камере (см. Фото 1 в приложении к релизу), стенки которой поглощают любое радиоизлучение, такие ячейки памяти образуются за счет возбуждения вокруг каждой четверки трубочек вихревых полей, не соприкасающихся друг с другом.

Сейчас ученые НИТУ «МИСиС» совместно с израильскими коллегами создают оптический вариант метаматериала как основу для сенсора, который улавливает даже отдельные молекулы.