Международная научная группа, состоящая из ученых НИТУ «МИСиС» и Политехнического университета Турина, разработала модель нового метаматериала, который позволит повысить точность работы наносенсоров в оптике и биомедицине за счет маскировки их от внешнего излучения. Статья о результатах исследования опубликована в журнале Scientific Reports издательского дома Nature.
Разработка модели нового метаматериала, маскирующего наносенсоры, проводится в рамках российско-итальянского проекта ANASTASIA (Advanced Non-radiating Architectures Scattering Tenuously And Sustaining Invisible Anapoles), цель которого — смоделировать, а затем и воссоздать такой метаматериал, который бы позволил делать объекты невидимыми на наноуровне во всех волновых диапазонах.
Развивая международное сотрудничество, ученые НИТУ «МИСиС» активно участвуют в научных коллаборациях с ведущими университетами мира. Еще одним шагом в укреплении тесных связей с зарубежными вузами стал совместный проект с Политехническим университетом Турина, начавшийся в 2017 году, — отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Научно-исследовательские работы ведуться на средства гранта в рамках Программы международного сотрудничества. С российской стороны научную группу возглавляет доцент лаборатории сверхпроводящих метаматериалов, к.т.н. Алексей Башарин«.
«Скрыть большой объект на самом деле проще, чем маленький, — рассказывает аспирантка лаборатории „Сверхпроводящие метаматериалы“ НИТУ „МИСиС“ и главный автор статьи Анар Оспанова. — Существуют различные техники камуфляжа и стелс-технологий. Но когда мы имеем дело с наноразмерными объектами — например, иглами-сенсорами в биомедицине или физике, ситуация усложняется. Обычно наносенсоры соизмеримы исследуемым объектам, поэтому, попадая в среду, очень сильно на нее влияют — изменяют давление в ней, рассеивают излучение, и становится трудно понять, где характеристики иглы, а где — самого объекта. Мы решили „спрятать“ излучение от наносенсоров и таким образом повысить точность их работы».
Основной элемент смоделированного учеными метаматериала — метамолекула, состоящая из четырех цилиндров-диэлектриков из танталата лития — LiTaO3 — радиусом 5 мкм. Образуя своего рода оболочку для наносенсора, диэлектрики взаимодействуют с излучением, и возникает так называемое состояние анаполя — неизлучающего рассеивателя. (рис. 1). В результате объект становится невидимым для внешнего наблюдателя (рис. 2 c). По отдельности все элементы — наносенсор и диэлектрики — рассеивают излучение и сильно искажают картину электрического и магнитного полей (рис. 2 а, b).
Для расчетов был использован металлический проводник радиусом 2.5 мкм, имитирующй наносенсор и обладающий очень высоким волновым рассеиванием, что позволило провести расчеты для максимально возможного уровня излучения. Моделирование проходило в терагерцовом диапазоне, между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами.
В качестве материала метамолекулы ученые использовали LiTaO3 — танталат лития, хотя в зависимости от сферы применения можно применять и другие материалы. В нанооптике, например, можно будет работать с кремнием и германием.
По словам руководителя проекта ANASTASIA со стороны НИТУ «МИСиС», доцента Алексея Башарина, у созданного метаматериала есть перспективы применения в биомедицине, например, за счет использования в качестве оболочки совместимого с человеческим организмом хлорида калия.
«Есть ряд случаев, когда нужно сделать так, чтобы объект не взаимодействовал со светом — например, при доставке лекарств на наноуровне. Наша конечная цель — создать метамолекулу, в которой рассеяние от объекта и его оболочки будут встречаться, нейтрализуя друг друга и делая объект невидимым в соответствующем волновом диапазоне», — Алексей Башарин.
Следующий этап исследования — экспериментальное создание предложенной структуры в лабораторных условиях — запланирован на осень 2018 года.
На данный момент накоплен опыт создания материалов и предметов, прозрачных для очень узкого диапазона излучения и скрывающих объекты только под определенным углом. Задача, которую ставят перед собой участники проекта ANASTASIA, состоит в том, чтобы обобщить опыт создания таких структур и разработать теорию, при помощи которой можно будет смоделировать, а затем и создать метаматериалы, скрывающие объекты под любым углом и в широком диапазоне.
Рисунок 1 — визуализация метамолекулы, состоящей из наносенсора — металлического цилиндра-проводника (в центре) и четырех цилиндров-диэлектриков (по краям), где P — электрический дипольный момент проводника, T — тороидный момент диэлектрической оболочки.
Рисунок 2 — визуализация видимого излучения элементов вне метамолекулы и в форме метамолекулы, где (а) — центральный элемент без оболочки; (b) — элементы оболочки без центрального элемента; © — центральный элемент в оболочке.