Zespół naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy z przedstawicielami instytucji zagranicznych, opracował mikroskopijne soczewki polimerowe pozwalające na optyczne badanie obiektów dziesięć razy mniejszych niż cząstka wirusa SARS-CoV-2 bez wykorzystania mikroskopu. Soczewki te wytworzono dzięki ultraprecyzyjnej technologii laserowego druku 3D.
Technologia druku 3D, której dynamiczny rozwój już okrzyknięto trzecią rewolucją przemysłową, polega na wytworzeniu (wydrukowaniu) warstwa po warstwie trójwymiarowego obiektu na podstawie modelu komputerowego. W ostatnich latach oferta drukarek 3D oraz tworzyw, z których można drukować, niezwykle się poszerzyła. Wzrosły też możliwości samych urządzeń. Można na przykład z niespotykaną dotąd precyzją drukować obiekty z tworzyw przezroczystych o wysokiej jakości optycznej. Rozwój druku 3D otwiera nowe perspektywy dla wielu dziedzin nauki i technologii, np. dla biologii, medycyny, robotyki, mikrooptyki czy badań nad optycznym przetwarzaniem informacji.
Soczewki mniejsze od średnicy włosa
Naukowcy z Wydziału Fizyki UW zaprojektowali i wytworzyli przy pomocy unikalnej w skali kraju ultrarozdzielczej laserowej drukarki 3D maleńkie soczewki. Mają one wymiary wielokrotnie mniejsze od średnicy ludzkiego włosa i mogą stać się nieocenioną pomocą w optycznych pomiarach struktur półprzewodnikowych. Soczewki te zwiększają ilość możliwego do zaobserwowania światła pochodzącego z próbek zawierających np. kropki kwantowe czy, niezwykle popularne ostatnio, atomowo cienkie materiały dwuwymiarowe. Do tych ostatnich należą m.in. diselenek molibdenu i diselenek wolframu, które mają strukturę podobną do grafenu. Wydrukowana mikrosoczewka ma tak zaprojektowaną powierzchnię, żeby światło emitowane z próbki formować w wiązkę fotonów o niskiej rozbieżności, którą to wiązkę można łatwo przesłać do aparatury badawczej i pomiarowej. W ten sposób mikrosoczewka może zastąpić drogi i nieporęczny rozmiarowo obiektyw mikroskopowy.
Typowe obiektywy mikroskopowe wysokiej klasy mają w przybliżeniu rozmiar ogórka gruntowego i ważą do pół kilograma. Muszą być precyzyjnie umieszczane w odpowiedniej odległości (mniejszej niż kilka milimetrów) od analizowanej próbki. To nakłada istotne ograniczenia na wykonanie wielu eksperymentów z dziedziny fizyki półprzewodników, takich jak pomiary w wysokich (impulsowych) polach magnetycznych, w bardzo niskich temperaturach czy z udziałem promieniowania mikrofalowego. Z kolei opracowane mikrosoczewki można, bez dodatkowych modyfikacji, wykorzystać w wymienionych technikach badań. Działają zarówno w ekstremalnie niskich temperaturach (bliskich zeru bezwzględnemu), jak i w gigantycznych polach magnetycznych, niewystępujących naturalnie na naszej planecie.
Technologia druku 3D
Druk 3D jest bardzo wydajny, dzięki czemu można w krótkim czasie wyprodukować setki mikrosoczewek na jednym podłożu. Ułożone w regularną sieć, podobnie jak figury na szachownicy, tworzą na próbce układ współrzędnych. Pozwala on dokładnie określić lokalizację wybranego emitera światła w próbce półprzewodnikowej. To z kolei umożliwia wielokrotne pomiary tego samego emitera w różnych laboratoriach na świecie. Do tej pory ponowne odnalezienie danego obiektu świecącego w próbce było bardzo czasochłonne. Możliwość powrotu do tego samego emitera jest, z punktu widzenia badań podstawowych, bezcenna, ponieważ znacznie zwiększa efektywność pomiarów i ułatwia testowanie nowych hipotez.
Niewielka modyfikacja kształtu proponowanych mikrosoczewek pozwala produkować je wielkoskalowymi, przemysłowymi technikami powielania, jak np. odciskaniem matrycy. Kolejnym krokiem badaczy będzie dostosowanie projektu soczewek do wymogów technologii światłowodowej, która jest przyszłością urządzeń opartych na wykorzystaniu światła.
Publikacja ukazała się na łamach pisma „Light: Science & Applications„.
Źródło: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, fot. Wydział Fizyki UW, A. Bogucki i Ł. Zinkiewicz. Na zdjęciu wizualizacja działania asferycznej mikrosoczewki. Wydrukowane mikrosoczewki mają tak zaprojektowaną powierzchnię, żeby światło emitowane z próbki formować w wiązkę fotonów o niskiej rozbieżności, którą to wiązkę można łatwo przesłać do aparatury badawczej i pomiarowej. W ten sposób mikrosoczewka może zastąpić drogi i nieporęczny rozmiarowo obiektyw mikroskopowy.