Традиционные антенны используются для передачи электромагнитных волн на радиочастотах, например для передачи телекоммуникационного сигнала. Наноантеннами называются устройства, которые преобразуют свободно распространяющееся оптическое излучение в поле, сильно локализованное в некоторой области, и наоборот. То есть наноантенны, как и обычные антенны, служат усилителями сигнала в соответствующих масштабах.
Сотрудники лаборатории нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО имеют богатый опыт в разработке наноантенн. Сейчас ученые хотят применить это инженерное решение для исследования и детектирования биологических объектов с помощью оптических сигналов. Так, можно будет различить даже такие маленькие объекты, как одна молекула.
«Наша цель — визуализация биообъектов с помощью оптических методов. Есть различные методы исследования живых тканей — МРТ-сканирование, рентген. Но, так или иначе, они являются не самыми безопасными и компактными. При оптическом методе воздействие на живую ткань минимально. Сегодня ученые могут визуализировать с помощью фотоники отдельные клетки, органеллы, и различать объекты меньшие, чем длина волны света. Это стало возможно благодаря введению в исследуемый биообъект флуоресцентных белков», — сказал кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории нанофотоники и метаматериалов Михаил Петров.
Однако различные живые ткани обладают, упрощенно говоря, разной пропускной способностью для света. Усилить оптический сигнал в биообъекте и сделать его внутренности видимыми - таковы цели работы швейцарских и петербургских ученых.
«Это очень конкурентная область исследований. Но преимущество нашей лаборатории в том, что мы очень хорошо понимаем физическую составляющую процесса. Мы уже много лет занимаемся диэлектрическими антеннами, мы понимаем, как они устроены и как ими управлять. Сейчас мы пытаемся конвертировать накопленный нами опыт для других задач. Именно поэтому лаборатория открывает направление деятельности по биохимическому детектированию», — отметил Михаил Петров.
По его словам, наработки для этого направления складывались постепенно, но не было платформы, от которой можно было бы оттолкнуться для дальнейшего развития. Теперь в качестве такой площадки выступает сотрудничество Университета ИТМО с ETHZurich, заключенное в рамках целевой программы финансирования совместных научных программ России и Швейцарии. ETHZurich занимает девятое место в самых престижных мировых рейтингах университетов THE и QS, и совместные исследования обоих университетов могут привести к большим результатам.
«Швейцарским коллегам не хватает теоретической базы, а мы владеем всеми методами моделирования, понимаем необходимые расчеты, геометрию создания наноантенн. У иностранных коллег сильная команда экспериментаторов-технологов, которая специализируется по нашему профилю. У нас тоже есть экспериментальная база, но мы работаем в несколько другой области. Ожидается, что самой сложной частью будут как раз биологические эксперименты. Мы надеемся, что для этой работы к нам присоединятся и другие партнеры», — пояснил сотрудник лаборатории нанофотоники и метаматериалов.
По итогам двухлетнего сотрудничества ученые из Петербурга и Цюриха хотят существенно увеличить разрешающую способность микроскопии. Предполагается, что если сегодня можно заглянуть под мембрану на 100 микрометров, то после этого проекта ученые могут увеличить это расстояние в два раза. Это будет новый класс биодетекторов, которые могут быть коммерциализированы для биологических исследований.
«Еще одна идеализированная задача этого проекта — убедить людей в том, что в метаповерхностях кроятся огромные возможности для науки. С помощью них можно моделировать конкретные оптические свойства. Для разного рода биодетектирования можно будет просто печатать медицинские подложки из метаматериалов, благодаря которым специалисты смогут сразу же определять химический состав вещества на них. Сегодня такие технологии называют лабораториями на чипе. Наш век — век биологический. Биологи аккумулируют те наработки, которые были сделаны за последние 40 лет, и наука движется вперед очень быстро», — добавил Михаил Петров.
Он подчеркнул, что лаборатория нанофотоники и метаматериалов открыта для сотрудничества и заинтересована в притоке мотивированных студентов на магистерскую программу «Метаматериалы». Так, они смогут принять участие в перспективной совместной работе с университетом ETHZurich.
