„Potencialas – milžiniškas.“ Lietuvoje išsigando finansuoti tai, ką sukūrė KTU mokslininkai

Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai, bendradarbiaudami su tyrėjais iš Japonijos, sukūrė unikalų nanolazerį. Nors šio lazerio matmenys tokie maži, kad jo struktūrą galima pamatyti tik per galingą mikroskopą, potencialas – milžiniškas. Pritaikomas ankstyvai medicininei diagnostikai, duomenų perdavimui ir saugumo technologijoms, šis išradimas gali tapti ir vienu pagrindinių įrankių tyrinėjant šviesos ir medžiagos sąveiką.

Priklausomai nuo paskirties, lazeriai skiriasi šviesos stiprinimo mechanizmu ir šviesą generuojančia medžiaga, nuo kurių priklauso spinduliuotės spalva bei lazerinio pluošto kokybė.

„Nanolazeriai – tokie lazeriai, kurie šviesos stiprinimui naudoja milijoną kartų mažesnių už milimetrą – nanomatmenų – struktūras, o lazerinė spinduliuotė generuojama itin mažame medžiagos tūryje“, – teigia vienas iš išradimo kūrėjų dr. Mindaugas Juodėnas.

Lazerio veikimas primena veidrodžių kambarį

Nors tokie nanolazeriai – jau kurį laiką tyrinėjami ir kuriami, būtent KTU mokslininkų variantas išsiskiria gamybos būdu. Tam naudojami sidabro nanokubai, kuriuos tvarkingai išdėliojus ant paviršiaus bei užpildžius optiškai aktyvia medžiaga, užtikrinamas šviesos stiprinimo mechanizmas, reikalingas lazeriniam efektui sukurti.

„Minėtieji sidabro nanokubai – itin mažos, kubo formos sidabro dalelės, kurios turi puikias optines savybes. Tai esminė mūsų sukurto nanolazerio dalis“, – teigia KTU Medžiagų mokslo instituto ekspertas.

Nanokubų sintezė, atliekama bendraautorių Japonijoje išrastu unikaliu būdu, užtikrina griežtai apibrėžtą nanokubų formą ir kokybę. Tuomet šie nanokubai išdėliojami į tvarkingą dvimatę struktūrą, pasitelkiant Medžiagų mokslo institute išvystytą nanodalelių savirankos procesą – šio technologinio žingsnio metu nanodalelės iš skystos terpės pačios susirenka į iš anksto paruoštą trafaretą su duobutėmis.

Kai trafareto parametrai atitinka nanokubų optines savybes, stebimas unikalus reiškinys, vadinamas paviršiaus gardelės rezonansu, leidžiantis optiškai aktyvioje terpėje efektyviai generuoti šviesą.

Įprastame lazeryje šiam reiškiniui išgauti naudojami veidrodžiai, o mokslininkų išrastame nanolazeryje vietoje jo naudojamas paviršius su nanodalelėmis. „Kai sidabro nanokubai išdėstomi periodiškai, šviesa tampa tarsi įkalinta tarp jų. Tam tikra prasme, tai yra panašu į veidrodžių kambarį atrakcionų parke, tik šiuo atveju veidrodžiai yra nanokubai, o atrakciono lankytoja – šviesa“, – vaizdžiai aiškina KTU ekspertas.

Tokios „įkalintos“ šviesos nanolazeryje vis daugėja, kol galiausiai peržengiamas energijos slenkstis, reikalingas stimuliuotai emisijai ir susiformuoja apibrėžtos spalvos bei krypties intensyvus šviesos pluoštas. M. Juodėnas primena, kad iš šio proceso – šviesos stiprinimo stimuliuojant spinduliuotę – ir yra kilęs lazerio pavadinimas (angl. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Pirmieji idėja patikėjo užsienio, ne vietiniai finansuotojai

Dėl to, kad nanolazerio kūrimui naudojamos greitai gaminamos ir itin aukštos kokybės nanomedžiagos – sidabro nanokubai – lazeriui žadinti reikalingas rekordiškai mažas energijos kiekis, o tai leidžia lazerius gaminti masiškai.

„Chemiškai sintetinami sidabro nanokubai gali būti gaminami šimtais mililitrų, o dėl jų aukštos kokybės galime naudoti savaime susirenkančių nanodalelių technologijas. Net jei nanokubų išdėstymas nėra tobulas, jų savybės atsveria šiuos netikslumus“, – teigia M. Juodėnas.

Vis dėlto pradinėse idėjos vystymo stadijose būtent ši technologija, turėjusi finansuotojus sudominti, Lietuvos agentūras atbaidė. „Skeptikai suabejojo, ar mūsų naudojamas paprastas metodas galės sukurti pakankamai aukštos kokybės struktūras, būtinas veikiančiam nanolazeriui“, – prisimena projekto vadovas prof. Sigitas Tamulevičius.

Tvirtai tikėdami kuriamo nanolazerio kokybe, KTU mokslininkai gavo tarptautinį finansavimą. Pasak M Juodėno, tarptautiniu mastu idėja buvo įvertinta perspektyviai: „Įdėję daug darbo ir atlikę nemažai eksperimentų mes įrodėme, kad net ir neidealios gardelės gali būti veiksmingos, jei naudojamos aukštos kokybės nanodalelės“.

Tvarkingas nanodalelių išdėstymas, naudojamas ir kitame KTU Medžiagų mokslo instituto išradime, kuriant apsaugos nuo padirbinėjimo ženklus, jau sulaukė tarptautinio įvertinimo – išradimas pripažintas JAV bei Japonijos patentų biurų.

Ateityje KTU mokslininkų sukurtas nanolazeris galėtų būti naudojamas itin jautriems biologiniams jutikliams, kurie leistų anksti aptikti ligas ar stebėti biologinius procesus realiu laiku. Jis galėtų veikti kaip šviesos šaltinis miniatiūriniuose fotoniniuose lustuose, identifikavimo technologijose arba autentifikavimo įrenginiuose, kur svarbi unikali ir sunkiai padirbama šviesos pluošto struktūra bei fundamentiniuose tyrimuose, tiriant šviesos ir medžiagos sąveiką nanomatmenų objektuose.

Straipsnis „Lasing in an assembled array of silver nanocubes“ paskelbtas žurnale „Nanoscale Horizons“ ir jį galima rasti čia.