Ученые разработали простой и недорогой способ самосборки углеродных нанотрубок, который позволяет ориентировать их в одном направлении. Пленки на основе упорядоченных нанотрубок могут использоваться в лазерах, генерирующих ультракороткие световые импульсы. Такие лазеры применяют в биологии и медицине для создания изображений тканей и органов с высоким разрешением при диагностике заболеваний. Параллельное расположение нанотрубок повышает эффективность генерации импульсов на 30%, а также снижает шумы в выходном излучении на 25–40%. Таким образом, разработанный материал позволит улучшить качество существующих лазеров. Результаты исследования, поддержанногогрантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Carbon.
Изображение типичных неупорядоченных нанотрубок, полученное методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Станислав Сазонкин
Волоконные лазеры, генерирующие ультракороткие импульсы света, активно применяются в медицине для получения снимков клеток, тканей и органов, по которым можно выявить различные заболевания, например, опухоли. В процессе работы эти лазеры преобразуют непрерывное лазерное излучение в световые импульсы длиной в квадриллионную долю секунды. Такие короткие сигналы необходимы для качественного «фотографирования» быстропротекающих процессов, происходящих в биологических тканях и в активных веществах.
На данный момент получить такие короткие сигналы сложно, поскольку они часто оказываются «загрязнены» шумами — случайными процессами, вносящими изменения в форму и структуру их последовательности. Решить эту проблему можно, если пропустить лазерное излучение через упорядоченно расположенные углеродные нанотрубки. Пленки на их основе поляризуют свет — то есть, проходя через них, направление колебаний световой волны, составляющей лазерный импульс, становится более упорядоченным и управляемым. Это позволяет точнее «настраивать» характеристики ультракоротких импульсов. Однако, если нанотрубки собираются неупорядоченно, то они не обладают поляризационными свойствами, из-за чего излучение в лазере становится более хаотичным. Поэтому ученые ищут методики, позволяющие ориентировать нанотрубки параллельно друг другу (то есть упорядоченно), чтобы повысить качество лазерных систем с ультракороткими импульсами.
Ученые из Московского физико-технического института (Долгопрудный), Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) и Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (Москва) впервые получили пленки с упорядоченно расположенными нанотрубками с использованием простого и недорогого метода самосборки. С помощью ультразвука авторы смешали коммерчески доступные углеродные нанотрубки с холатом натрия (солью желчной кислоты), а затем после медленной сушки в течение 2–3 суток нанотрубки упорядоченно самособирались в пленку. Ускорив выпаривание, исследователи также получили контрольные образцы со случайным распределением нанотрубок. Изготовленные пленки установили в лазеры в качестве специальных фильтров излучения.
Изображение типичных упорядоченных нанотрубок, полученное методом сканирующей электронной микроскопии. Источник: Станислав Сазонкин
Оказалось, что лазеры с упорядоченно расположенными нанотрубками на 30% эффективнее преобразуют энергию излучения в ультракороткие импульсы. Ученые также могли менять длительность лазерного импульса, регулируя угол наклона нанотрубок по отношению к оптической оси лазера. Это важно, чтобы подбирать оптимальные параметры работы лазера при исследовании с его помощью различных объектов.
Авторы также сравнили шумовые сигналы двух вариантов лазеров. Оказалось, что импульсы лазера с пленкой из упорядоченных нанотрубок были на 25–40% стабильнее, чем с пленкой из неупорядоченных. Более того, в ходе экспериментов исследователи не обнаружили каких-либо повреждений на пленках или ухудшения в их работе, которые могли бы возникнуть после многократного использования. Таким образом, разработанный материал потенциально может применяться в случаях, требующих длительной работы лазера, например, при продолжительных и многочисленных исследованиях онкологических заболеваний людей. Также на базе разработанной технологии ученые собрали новую лазерную систему для медицины в интересах дерматологии, проект которой поддержан стратегическим направлением «Фотоника» программы Приоритет 2030 МГТУ имени Н.Э. Баумана.
«Мы ожидаем, что наши результаты помогут улучшить качество волоконных лазеров и тем самым расширить их применение в науке, промышленности и медицине, где необходимы высокая точность рабочих параметров, надежность эксплуатации и стабильность основных характеристик излучения. В дальнейшем мы планируем и дальше работать над повышением стабильности и эффективности волоконных лазеров ультракоротких импульсов», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Станислав Сазонкин, начальник лаборатории волоконных лазеров ультракоротких импульсов научно-образовательного центра «Фотоника и ИК-техника» МГТУ имени Н.Э. Баумана.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ.