Исследователи из Гарварда описали, каким образом в солевом растворе происходит образование микроструктур различной формы. Пользуясь своей моделью, они смогли вырастить структуры с заданными параметрами, в том числе микроскопические оптические элементы, проводящие свет. Статья опубликована в журнале Science, а прочитать комментарии авторов о своем исследовании можно на сайте института Висса.

Микроструктуры заданной формы находят широкое применение в современной электронике и оптике. Однако методы, которые используются при их создании, такие как литография и 3D-печать, либо дороги и трудозатратны, либо недостаточно точны. Перспективный способ создания фигур различной формы ученые «подсмотрели» в природе — ведь закрученная раковина моллюсков или скелет морского ежа формируются в результате относительно простых (по сравнению с литографией) химических процессов, которые регулируются достаточно узким диапазоном условий окружающей среды. Вдохновившись существованием биоминерализации, сотрудники Гарвардского университета в 2013 году вырастили миниатюрные цветники, созданные из отложений оксида кремния с карбонатом бария, и химию процесса описали в статье в Science. Если через щелочной раствор хлорида бария и метасиликата натрия пропускать углекислый газ, в нем начинают выпадать нерастворимые кристаллы карбоната бария, при этом на границе со средой локально понижается pH (кислотность), что приводит к отложению на их поверхности слоя оксида кремния. Слои формируют тонкостенные структуры различной формы. В зависимости от начального pH раствора, эти структуры либо растут прямо вверх, образуя чаши или вазы, либо начинают закручиваться, образуя лепестки и спирали типа макаронин.

В своей новой статье исследователи подвели математическую базу под процесс формообразования, и составили модель, в которой один из параметров (qb) зависел от pH. Меняя этот параметр и симулируя процесс на компьютере, авторы смогли получить структуры заданной формы. Они выяснили, что манипулируя кислотностью среды во время роста структур, можно переключать процесс из «прямого» режима в режим закручивания, а также изменять их размер.

Компьютерная симуляция роста закрученной структуры в растворе и полученная в эксперименте структура
Компьютерная симуляция роста закрученной структуры в растворе и полученная в эксперименте структура

Некоторые микрокомпоненты, используемые в фотонике, такие как волноводы и отражатели, благодаря своей форме идеально подходят для выращивания в растворе. Воспользовавшись своей математической моделью, ученые смогли осадить из раствора на подложку так называемые брэгговские зеркала — отражатели световых волн, которые входят в состав оптоволокна. По структуре эти отражатели напоминают луковицу. Чтобы убедиться, что полученные компоненты действительно проводят свет (являются оптически активными), в исходный раствор соли бария добавили в качестве присадки флуоресцентный краситель, в результате чего точка роста структуры приобрела способность флуоресцировать в присутствии источника света. На следующей стадии роста красителя в среде не было, и центральная часть структуры его не содержала. Несмотря на это, структуры эффективно проводили свет от флуоресцентного кристалла к кончику. Исследователи вырастили скульптуры в виде спиралей, кораллов и трубок, и все они обладали способностью проводить и распределять свет.

Проводящие свет микроструктуры, полученные осаждением из раствора
Проводящие свет микроструктуры, полученные осаждением из раствора

Таким образом, фотоника позаимствовала в биологии изящное решение по созданию функциональной оптической микроархитектуры. Наверняка это будет не единственная био-идея, воплощенная в жизнь сотрудниками института Висса, где работают несколько авторов статьи, ведь полное название этой организации звучит примерно как «Институт навеянных природой разработок» (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).