Особенности этого года

Международный симпозиум FLAMN проходит с 2000 года как продолжение двух конференций — «Лазерные технологии» и «Нерезонансное взаимодействие лазерного излучения с веществом», начавшихся в середине 60-х годов 20 века. Симпозиум организует Международная научная лаборатория лазерных микро- и нанотехнологий ИТМО. В этом году мероприятие было посвящено двум основным направлениям — лазерным микро- и нанотехнологиям и взаимодействию лазерного излучения с веществом. С очными и онлайн-докладами выступили 158 ученых из 11 стран (например Китая, США, Германии, Франции, Израиля, Аргентины и других), представители индустрии, а также 70 студентов.

«Наука не может развиваться без обмена информацией. Если ученый занимается исследованиями и при этом не публикуется и не рассказывает о полученных  результатах, никакого вклада в прогресс человечества они не внесут. А если мы обмениваемся информацией только внутри страны, мы ограничиваем себя, поэтому важно поддерживать связь с мировым сообществом», — прокомментировал председатель симпозиума и профессор факультета наноэлектроники Вадим Вейко.

Всего мероприятие включало четыре секции:

• «Лазерная функционализация поверхности и лежащие в ее основе физические  процессы».
• «Физические основы лазерных технологий для нанофотоники и наноразмерных систем».
• «Взаимодействие сверхкоротких лазерных импульсов с веществом: физика и основанные на ней технологии».
• «Промышленные применения лазеров».

Помимо секций, ученые и студенты поделились своими исследованиями и получили обратную связь от ведущих специалистов в рамках трех специальных научных мероприятий ― научной школы для молодых исследователей, инженеров и студентов, а также международных научных школ «Лазерно-оптические методы в Art & Science» и «Биомедицинские лазерные технологии».

Несколько докладчиков выиграли в молодежных конкурсах за лучший устный и стендовый доклад и получили дополнительные баллы для поступления в бакалавриат и шанс попасть в магистратуру ИТМО без экзаменов.

Фундаментальные исследования лазерных технологий

Чтобы усовершенствовать лазерные технологии, ученые многих стран проводят эксперименты и разрабатывают более эффективные и перспективные материалы для взаимодействия с лазерным пучком. Например, академик РАН и профессор Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН Виталий Конов рассказал, что синтетический алмаз, легированный азотом (легирование ― это добавление в состав материала примесей для изменения физических или химических свойств — прим. ред.), — более перспективный материал для эффективных проводящих антенн терагерцового диапазона с большой апертурой, то есть с большей эффективной площадью приема потока электромагнитного излучения. На основе результатов исследования ученые сконструировали 3D-алмазный детектор частиц высокой энергии.

Также результаты своих исследований представили и сотрудники ИТМО. Инженер-исследователь факультета наноэлектроники Михаил Москвин рассказал о новом методе контроля, создания и предопределения значений топологических характеристик регулярных рельефов на основе лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС). Это облегчит процедуру стандартизации поверхностей и их дальнейшее использование в технической, фотонной и медицинской сферах.

А выпускник аспирантуры факультета наноэлектроники ИТМО Куанг Зунг Нгуен в результате эксперимента выяснил, что при лазерной термохимической записи трех дорожек ширина средней уменьшается в зависимости от расстояния до двух ранее записанных. Ученый исследовал причину сужения этой дорожки ― так называемый эффект «близости» ― и предложил математическую модель для прогнозирования параметров записи, чтобы в будущем получать дорожки минимальной ширины.

Лазеры на практике

Лазерные технологии уже давно применяются в различных сферах, но сегодня открываются и новые перспективы их использования. Например, помимо обработки материалов, конструирования оптоэлектронных информационных систем или гибкой электроники, они также используются в биомедицине. Научная группа член-корреспондента РАН и заведующего кафедрой оптики и биофотоники Саратовского государственного университета Валерия Тучина использует лазерные технологии для оптического просветления биотканей. Для этого в ткань человека вводят биологически совместимую иммерсионную жидкость. На некоторое время она делает биоткань прозрачной в широком спектральном диапазоне (от глубокого ультрафиолетового до терагерцового излучения), обеспечивая большую глубину изображения и лучшую контрастность. Этот метод может быть полезным в нескольких направлениях: при диагностике заболеваний, например диабета или рака, мониторинге доставки лекарств, проверке состояния имплантов или фототерапии — вида лечения, при котором пациент подвергается воздействию солнечного или искусственного света. Фототерапия используется для повышения эффективности антибактериальной активности противомикробных препаратов при лечении онкологических заболеваний.

Директор европейского центра нанотехнологий фонда исследований и технологий (FORTH) Эммануэль Стратакис применяет лазерные технологии в сочетании с биомиметикой. Ученый вдохновился примерами из окружающей среды и сымитировал на микро- и наноматериалах поверхности тела  некоторых животных, например крылья бабочек и кожу акул или ящериц. С помощью такого подхода можно создавать композиционные материалы с уникальными свойствами — например антибликовостью, супергидрофобностью или супергидрофильностью для очков с защитой от бликов и запотевания.

А профессор Ганноверского университета им. Г.В.Лейбница Борис Чичков рассказал, как создать 3D-паттерны живых клеток и микроорганизмов с помощью лазерной биопечати, основанной на принципах прямого лазерно -индуцированного переноса. Группе ученых уже удалось напечатать разные типы клеток: первичные и стволовые, а также зубы, кости и хрящи. Полученные результаты в перспективе можно будет использовать для изучения микробиома человека, печати органов и анализа эффективности препаратов и антибиотиков на организм, а также влияния косметики на кожу, не прибегая к экспериментам на животных.

Однако до сих пор сохраняется проблема выживаемости клеток внутри клеточного каркаса во время биопечати. Чтобы ее решить, младший научный сотрудник Института регенеративной медицины Сеченовского университета Артем Антошин и его коллеги предложили фотобиомодуляцию. Это неинвазивный и нетермический метод, использующий красный свет и свет ближнего инфракрасного диапазона для стимуляции митохондриальной активности клеток.

Будущее лазерных технологий 

Мы подробно спросили участников симпозиума, какими еще исследованиями они занимаются, каково значение этой работы и за какими направлениями будущее.

Александр Колобов

директор института физики РГПУ им. А.И. Герцена

— В рамках конференции меня больше всего интересует фотоника на фазопеременных материалах. Это материалы, которые за ультракороткие времена обратимым образом меняют свое состояние с аморфного на кристаллическое. При этом каждое состояние имеет свои особые оптические и электрические свойства. Такие материалы широко используются в электронных и оптических носителях памяти, например компакт-, DVD- и Blu-ray-дисках, а также в энергонезависимой памяти 3D XPoint. В последние годы резко вырос интерес к применению фазопеременных материалов для создания реконфигурируемых устройств нанофотоники. В отличие от обычных оптических материалов, когда созданные структуры имеют заданные (то есть неизменные) свойства, в реконфигурируемых устройствах на основе фазопеременных материалов свойства оптических элементов можно изменять управляемым образом, что открывает совершенно новые горизонты. Со своей научной группой мы много занимаемся первопринципными расчетами свойств таких материалов и также начинаем их экспериментальное исследование, в частности, в наших планах проведение таких исследований с коллегами из Университета ИТМО.

Елена Сергеева

кандидат медицинских наук, ассистент факультета стоматологии и медицинских технологий Санкт-Петербургского государственного университета

— На конференции мы представили исследование, над которым еще продолжаем работу. Суть его в следующем. Лечение некоторых патологических состояний мягких тканей полости рта может быть проведено только с применением хирургического  вмешательства, в результате которого у пациента возникали отеки, боль и кровотечение. Сегодня мы можем предложить новый метод лечения, отличающийся от уже известных. Он более эффективный, безболезненный и быстрый — требуется всего 3–4 посещения врача. Речь идет о применении фракционного лазерного воздействия на слизистой оболочке полости рта. Мы провели два этапа исследований (на животных и клинический) и уже используем фракционный метод лазерного излучения в клинической практике для лечения рубцовой ткани и рецессий десны, а также комбинируем этот метод с классическим воздействием лазера. Это очень перспективное направление, которое позволит снизить количество осложнений  от лечения и повысить качество жизни наших пациентов.

Ирина Янина

доцент кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета

— Я занимаюсь применением фотонных технологий в биомедицине. Например, при диагностике с использованием метода оптического просветления тканей, чтобы получить большое количество разного рода данных, применяются несколько модальностей ― например терагерцовое излучение, оптическая когерентная томография, многофотонная микроскопия, рамановская спектроскопия, а также методы машинного обучения. Применение метода оптического просветления биотканей позволяет увеличить глубину зондирования оптических методов, которые уже применяются в медицине, а также получить больше информации о структуре и свойствах объектов, расположенных в областях человеческом теле и недоступных с оптической точки зрения для ранней диагностики заболеваний. В первую очередь речь идет о кожный болезнях, но мы не ограничиваемся только ими.

Так, все биологические ткани в теле содержат воду, но патологические ткани, в том числе раковые, отличаются от них более высоким процентным содержанием жидкости. Терагерцовое излучение очень сильно поглощается водой. Именно на контрасте между содержанием воды в здоровых и патологических тканях основан метод диагностики новообразований. В будущем развитие в этой области связано с поиском новых источников терагерцового излучения, созданием компактных установок, расширением базы данных патологий и автоматизацией процессов измерения и обработки.