Текст уведомления здесь

Передача данных с помощью света

Зачем переходить от электроники к оптике и как это сделать

Мы храним и передаем каждый день огромное количество информации. Как это делать быстрее и эффективнее? Перейти от классических электронных устройств к оптическим, т. е. передавать и хранить данные с помощью света. Решением этой задачи занимаются в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники. Аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Георгий Зограф рассказывает о том, как научиться передавать свет и создать оптическую коммуникацию, чем занимается нанофотоника, что такое адресная доставка лекарственных средств и при чем здесь свет.
Добавить в закладки
Комментарии

Георгий ЗОГРАФ, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО:

— Глобальная цель нанофотоники как такого раздела оптики — это переход от классических электронных устройств хранения и передачи информации к оптическим.

Вызвано это двумя причинами: во-первых, в природе ничего быстрее света не распространяется. Соответственно, если мы научимся передавать, хранить и распространять сигналы при помощи света, мы добьемся максимально возможных скоростей и производительности. Вторая причина — это классические электронные приборы. Устройства у нас греются. Вы же знаете — по проводам течет ток. Он заставляет проводники греться. Это вызывает всякие периодические эффекты, от которых сложно потом избавиться. В принципе оптика может решить все эти проблемы, но возникают сложности: если, скажем, в качестве сигнала в классических компьютерах и телефонах у нас выступает ток — соответственно, носителем, переносчиком тока являются заряженные частицы (в частности, электроны), то в данном случае нам для перехода на оптическую коммуникацию и способы хранения данных нужно научиться передавать особым образом свет.

Соответственно, нам нужны и наноразмерные источники света. В частности, наноразмерными источниками света занимаемся и мы на основе перовскитов. Чем они хороши? Тем, что мы можем создавать такие наноразмерные источники света, у которых длина волны испускаемых фотонов будет различной. Это будет означать, что мы, меняя длину волны, можем спокойно менять информацию и сигнал, который мы хотим передать по оптическим сетям.

Конкретно я занимаюсь нанофотоникой. Вы видели, что на двери лаборатории написано: «Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники»? Вот нанофотоника — это то слово, которое лучше всего будет охарактеризовывать то, чем я занимаюсь. В качестве своей магистерской работы я занимался кремниевыми наночастицами, которые способны, на самом деле, эффективно греться на наномасштабе при помощи света. При всем при этом они еще могут служить в качестве наноразмерных термометров. Они таким образом рассеивают свет от себя, что по частоте этого рассеянного света можно определять изменение частоты — насколько у нас нагрелся наш объект или область, которую мы пытаемся изучить.

Это, на самом деле, был такой очень интересный результат. И в какой-то степени прорывной, потому что до этого для задачи оптического нагрева использовались металлические частицы в основном, которые лишены такого температурного отклика. Соответственно, для того чтобы измерять температуру на наномасштабе, приходилось использовать сложные многостадийные этапы производства, фабрикации. Но не всегда это применимо для некоторых областей в биологии и медицине.

И вот такая концепция, которую мы предложили, теоретически рассчитали и экспериментально подтвердили, она может каким-то образом помочь упростить процесс детектирования температуры на наномасштабе. Эту идею мы некоторым образом развили. Мы, например, научились создавать такие упорядоченные структуры (модное слово сейчас — метаматериалы, метаповерхности). И вообще, классическим образом в изготовлении таких метаматериалов и метаповерхностей на наномасштабах используют литографы. Это такие аппараты, большие машины, которые умеют точным образом, светом, электронно вырезать то, что мы хотим. Ну знаете, мы переходим в FabLab и вырезаем — вот такое можно делать и на наноуровне. Но сложность состоит в том, что, если мы хотим как-то очень точно наши оптические свойства подстроить с помощью метаповерхностей и метаматериалов, литограф нам уже не будет подходить. Соответственно, мы научились создавать такие кремниевые метаповерхности, и при помощи вот этого прекрасного свойства материала (кремния, который имеет температурный отклик) мы можем засвечивать эти метаповерхности очень локально. А также очень локально нагревать их и в какой-то момент, превосходя порог плавления, можем менять структуру метаповерхности.

Например, у нас есть метаповерхность из шариков, каких-то цилиндров. Мы можем один цилиндр просто расплавить — таким образом, если мы представим, возникнет такой квадратик 3×3, и если мы расплавили центральный цилиндр, то в нем ничего нет. Соответственно, оптические свойства могут очень сильно измениться. Этому есть тоже интересное приложение вот такого оптического нагрева. Вот как температура на наномасштабе для фабрикации.

Из самых свежих исследований, которые мы сейчас ведем, — это создание таких терморазрушаемых полимерных капсул для адресной доставки лекарственных средств. Такие полимерные капсулы представляют собой карго-коробочку, внутри которой помещаются лекарственные препараты. Это достаточно очевидно: классическая капсула, которую мы принимаем с завтраком, биоразлагаема. Мы принимаем лекарство, и через какое-то время оно впитывается в стенки желудка или еще куда-то. Именно поэтому капсулы и таблетки просят не резать пополам, а именно целиком принимать — ведутся исследования, чтобы они в нужный момент времени растворялись.

Соответственно, если ты их ломаешь, это не очень хорошо сказывается на их действии. И вот такие наноразмерные, микроразмерные капсулы с помещенными внутрь лекарственными препаратами уже используются в медицине, и в основном как раз используются биоразлагаемые капсулы. Мы подумали, что потенциал есть в том, чтобы температурно разрушать эти капсулы. Например, у нас есть какой-то лекарственный препарат, помещенный в это карго, который каким-то образом покрывается специальными биологическими молекулами (может быть, полимерными), которые такими маленькими крюками могут в нужную область прицепиться, а дальше дело остается за малым.

Наши коллеги-биологи умеют создавать такие молекулы-крюки, которые умеют приставать к определенным клеткам. И дальше нам нужно создать эту капсулу, чтобы доставить лекарственные средства и победить всякие болезни. Мы предложили: «А давайте будем светить лазером, который не нанесет никакого вреда организму, но при этом очень эффективно может нагревать эти маленькие частицы, которые можно поместить как раз в стенки этих полимерных капсул?» И аккуратно повышая интенсивность, получая информацию о температуре, которую мы умеем измерять при помощи рассеивания, в частности, кремниевых частиц, мы можем (плавно поднимаясь с низких температур) добиться терморазрушения капсулы.

И всё! Таким образом мы вызволим из капсулы лекарственные препараты, минимально потревожив здоровые клетки и сам организм.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

За дверями московских технопарков

Корреспондент «Чердака» воспользовалась акцией «День без турникетов» и побывала в нескольких московских технопарках

Традиционная акция «День без турникетов» в Москве, во время которой любой желающий может изнутри посмотреть, как работают предприятия и что изобретают и делают в технопарках столицы, прошла с 19 по 21 июля. «Чердак» за эти дни побывал в нескольких технопарках города.
Добавить в закладки
Комментарии

Детище компании «Электротранспортные технологии», резидента технопарка «Калибр», — трехколесный электрокар SAM — может разгоняться до 100 км/ч и вмещает двух человек. Вообще-то, такие электрокары были спроектированы в Польше еще в 2009 году. Российская модель отличается двигателем — это разработка компании. В будущем производитель намерен довести долю отечественной «начинки» в машине до 80%. Кроме того, электрокар планируют сделать беспилотным. Это позволит машинам самим уезжать на парковку или заправочные станции.

Фото: Алиса Веселкова / Chrdk.

Фото: Алиса Веселкова / Chrdk.

Производитель уверяет, что электрокар не боится морозов и подходит для использования круглый год. Машина оборудована печкой, подогревом лобового стекла и сидений. Ожидается, что к концу года такие машины появятся в столичном каршеринге. А пилотной территорией для электрического каршеринга станет «Сколково».

Для конструкторов-любителей компания создала набор, из которого можно построить свой электрокар или лодку с солнечной панелью. [ ... ]

Читать полностью

Я твой пластиковый пакет

Какие метаморфозы происходят с пластиком во время его переработки

Одноразовые пакеты, пластиковые бутылки и банки проходят сквозь быт горожанина, практически не задерживаясь в его руках. Но что происходит с ними после «смерти»? Корреспондент «Чердака» разобралась, как может выглядеть путь пластикового пакета к его следующей инкарнации.
Добавить в закладки
Комментарии

Каких-то полчаса назад он был необходим, в его жизни был смысл. И вдруг все закончилось.

Она бросает его… в бак с пакетами и другой пластиковой упаковкой.

Когда-то Мишаня — обычный пластиковый пакет — проживал в овощном отделе супермаркета, хотя с тем же успехом мог обитать в любом другом магазине. Бытие полиэтиленового пакета предсказуемо, скучно и крайне коротко, а вот в небытии он может пролежать десятки лет. Рядом с Мишаней в баке оказалась бутылка из-под шампуня, по соседству — пустые банки из-под йогурта и сметаны, но уже без крышек из фольги — крышки хозяйка выкидывает в отдельный бачок для металлического мусора.

Иллюстрация: Сергей Козлов / Chrdk.

Иллюстрация: Сергей Козлов / Chrdk.

[ ... ]
Читать полностью

«Жучок» в короне Солнца

К Солнцу отправляется обсерватория «Паркер», которая будет вращаться вокруг звезды на рекордно малой орбите. Зачем?

В августе 2018 года в космос отправится солнечная обсерватория «Паркер». Названный в честь астрофизика Юджина Паркера аппарат приблизится к Солнцу на рекордное расстояние, и это хороший повод поговорить о том, как и зачем человечество пытается подобраться к нашей звезде как можно ближе.
Добавить в закладки
Комментарии

«Паркер» будет обращаться по орбите с перигелием (самой близкой к Солнцу точкой) всего в 6,2 миллиона километров. Это очень близко: Земля удалена на 150, а Меркурий не подходит к звезде ближе, чем на 46 миллионов километров. При этом падающий на аппарат поток солнечных лучей возрастает обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому тепловая нагрузка на «Паркер» увеличится не в 24 раза по сравнению с земной (настолько сократится дистанция), а в 520 раз; во столько же вырастет радиационная нагрузка на электронные компоненты.

Солнечный зонд «Паркер», компьютерная модель. Обратите внимание на сложенные солнечные батареи и черный конус в передней части аппарата — это радиаторы, сбрасывающие избыток тепла за счет излучения в тени от теплозащитного щита. Иллюстрация: NASA / Johns Hopkins APL / Steve Gribben
Солнечный зонд «Паркер», компьютерная модель. Обратите внимание на сложенные солнечные батареи и черный конус в передней части аппарата — это радиаторы, сбрасывающие избыток тепла за счет излучения в тени от теплозащитного щита. Иллюстрация: NASA / Johns Hopkins APL / Steve Gribben

Защищать наиболее важные части «Паркера» будет специальный щит из углепластика, выдерживающий нагрев до 1300 градусов Цельсия. Щит расположен только с одной стороны, поэтому случайный сбой в системе ориентации аппарата приведет к его гибели менее чем за минуту — отсюда жесткие требования к надежности системы автоматического управления, так как времени на коррекцию положения «руками» с Земли просто не будет.

Спасти «Паркера» так, как спасали потерявшие ориентацию в пространстве другие научные аппараты — например, японский зонд «Хаябуса», вернувшийся от астероида Итокава с одним работающим двигателем и барахлящими гироскопами, — не получится. Он сгорит раньше, чем до Земли дойдет информация о проблеме. [ ... ]

Читать полностью