Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова подвели итоги конкурса «Моя лаборатория». Мы с удовольствием публикуем лучшие работы.
В Санкт-Петербурге, на одной из главных улиц Васильевского острова, в самом центре старого города, находится с первого взгляда ничем не примечательный двухэтажный дом красного цвета. Однако, как мы знаем, внешность порой бывает обманчива. В этом невзрачном строении ещё 150 лет назад вершились дела государственной важности, составлялись документы, изменившие историю России, например, об отмене крепостного права, которые даровали свободу русскому крепостному населению.
Васильевский остров, Кадетская линия 3б, «Красный домик»
В наши дни, полтора века спустя, на перекрестке Большого проспекта и Кадетской линии происходят не менее важные события. Сейчас в этом здании расположен Международный институт «Фотоники и Оптоинформатики» Университета ИТМО, где лучшие умы в области терагерцовой спектроскопии, метаматериалов и голографии также делают человечество более свободным и независимым, исследуя неизведанные области физики и совершая открытия, которые в будущем послужат на благо людей во всём мире.
Фотоника - это область науки и техники, связанная с использованием света в устройствах и системах, в которых генерируются, изменяются, распространяются и детектируются оптические сигналы.
В свою очередь, оптоинформатика – это область фотоники, в которой используются оптические технологии передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации.
Эти разделы науки являются сравнительно новыми, однако на них возлагаются огромные надежды по разработке инновационных технологий для науки, техники и повседневной жизни. Всего в нескольких регионах России можно встретить учреждения с подобной специализацией, одним из которых является кафедра «Фотоники и Оптоинформатики» Университета ИТМО, лидирующая в области оптических технологий не только в России, но и по всему миру.
Что ж, давайте начнём нашу импровизированную экскурсию с ещё одной исторической ссылки. До недавнего времени здание, в котором ныне располагается кафедра, принадлежало Государственному Оптическому Институту им. Вавилова, который на тот момент являлся главной движущей силой СССР в оптике. В «Красном домике», как его сейчас называют студенты и сотрудники, на тот момент работал один из самых значительных деятелей в области отечественной и мировой голографии – академик Юрий Николаевич Денисюк.
Академик Юрий Николаевич Денисюк
Прошли годы, однако многие традиции не изменились, и до сих пор на кафедре «Фотоники и Оптоинформатики» значительная часть исследований проводится в области прикладной голографии.
Голографией изначально называлась особая методика записи и восстановления трёхмерных изображений объектов, отличающаяся максимальной реалистичностью. «Неотличимость от реальных объектов могла быть достигнута из-за того, что на голограмму записывается не изображение объекта, а изображение волновых полей, которые от него отражаются» - говорит сотрудник лаборатории «Прикладной голографии», магистрант 1-го курса Владимир Борисов.
«По сути, когда вы смотрите на какой-то предмет, в действительности вы видите не его, а свет, который от него отражается. Как известно, свет обладает свойствами и частицы, и волны. Если рассматривать свет как волну, то он обладает следующими оптическими параметрами: длиной волны, интенсивностью излучения, поляризацией и фазой. Отражаясь от предмета, свет образует его волновое поле, которое вы, собственно, и видите. Если навстречу этому волновому полю пустить световую волну, которая будет согласована с отражённым светом по фазе и времени (т.е. будет когерентна ему), то на месте пересечения её с волновым полем предмета будет возникать интерференция – явление перераспределения света в пространстве. В середине XX века учёные-оптики выяснили, что если каким-либо образом записать получившуюся картину интерференции (по сути это и означает «записать голограмму»), то она сохранит в себе все свойства и оптические параметры волнового поля, с помощью которого была образована. Таким образом, если вы снова посветите на эту картину, то увидите предмет, волновое поле которого было зарегистрировано. Причём увидите его так, как будто он находится прямо перед вами», - объясняет Владимир.
Делитель лазерного излучения, необходимый для создания картины интерференции
Через некоторое время после освоения голографии, как отдельной области науки, учёные поняли, что этот механизм можно использовать не только для создания трёхмерных изображений, чем сейчас занимается так называемая изобразительная голография, но также применять голографический подход во многих устройствах, начиная от простейших светофильтров, и заканчивая голографической памятью и технологиями искусственного интеллекта.
Направлений, в которых сейчас применяется или в скором времени будет применяться голография, настолько много, что потребуется не один день, чтобы рассказать о них всех. А сам голографический механизм настолько фундаментален, что некоторые учёные склонны приписывать ему философское значение. «Есть много достаточно серьёзных научных работ, в которых высказывается предположение о том, что вся наша вселенная – это одна большая голограмма – поделился Владимир. – Другие учёные заявляют, что, используя принципы голографии, можно воссоздать работающий прототип человеческого мозга. Я нахожу эти соображения несколько надуманными, однако переоценить значение голографии в нашей жизни в данный момент действительно сложно. Голограммы находятся вокруг вас повсюду, начиная от защитных голограмм на денежных банкнотах и заканчивая голографическими корреляторами для распознавания лиц в телефонах, фотоаппаратах и системах наблюдения МВД. В каждом вашем мобильном устройстве есть голограммы. Это та часть нашей повседневной жизни, без которой мы бы не смогли её себе представить».
Во время исследований в лаборатории Прикладной Голографии царит темнота, а все предметы вокруг окрашиваются в зелёный цвет лазерного излучения
Основная деятельность Владимира в лаборатории прикладной голографии направлена на изучение свойств так называемых регистрирующих материалов, в которых и происходит запись голограмм. Он надеется, что в результате исследований его научной группы будут обнаружены материалы для записи, которые бы лучше подходили для создания устройств памяти на основе голограмм.
«Голографическая память – самая перспективная область применения голограмм. Многие специалисты считают, что в течение ближайших 15 лет большинство устройств памяти, таких как винчестеры, компакт-диски и USB-накопители, будут заменены на их голографические аналоги, которые будут способны вмещать в сотни раз больше информации. Ведь теоретически, в одной голограмме может находиться гигантское количество единиц информации. Сейчас основной проблемой, из-за которой таких устройств до сих пор нет на рынке, является отсутствие подходящего материала, пригодного для записи таких голограмм. Кто знает, возможно, в ближайшие годы необходимый материал будет найден именно в нашей лаборатории», - не без оптимизма комментирует направление своей деятельности Владимир.
Также, на кафедре есть лаборатория «Терагерцовой биомедицины», в которой исследуют влияние терагерцового излучения на различные биологические объекты. Для справки: терагерцовым излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,1 до 10 ТГц. Наименование приставки “тера” происходит от греческого слова τέρας, что означает чудовище, то есть единиц с указанной приставкой «чудовищно много».
Студенты и сотрудники лаборатории «Терагерцовой биомедицины»
Большое количество белков, загрязняющих атмосферу молекул, взрывчатых и наркотических веществ, благодаря особенностям их строения, можно обнаружить с помощью терагерцового излучения. Это излучение безвредно для человека, что позволяет применять его для медицинской диагностики и терапии социально-значимых заболеваний человека, таких как онкология, неврология и диабет. Именно диагностике сахарного диабета и посвящена научная работа аспиранта и инженера-исследователя лаборатории «Терагерцовой биомедицины» Святослава Гусева.
Элементы установки импульсного терагерцового спектрометра
«Вы, должно быть, знаете о таком заболевании, как сахарный диабет. Его симптомы выражаются в нарушении естественного механизма регуляции уровня глюкозы в крови, присущего здоровому человеку. Слишком низкий уровень может привести к нехватке необходимых мозгу углеводов, что приведет к гибели нервных клеток. В то же время высокий уровень глюкозы сгущает кровь, а это приводит к усиленному образованию тромбов – своего рода отложений на внутренних стенках сосудов, которые препятствуют кровообращению. Тромбообразование – необходимый в нашей жизни процесс. Иначе мы истекали бы кровью от любой царапины, однако закупоривание сосудов может привести к варикозной болезни, гангрене или даже летальному исходу», - пояснил Святослав.
«Как же живут все эти люди? Прежде всего, стоит отметить, что существуют два типа диабета. Первый тип – инсулинозависимый. При нём диабетик делает порядка пяти инъекций инсулина в сутки. При втором типе диабетик компенсирует нарушения обменных процессов при помощи таблеток. Но независимо от типа диабета, необходим постоянный контроль уровня глюкозы в крови, дабы пресечь потерю сознания в краткосрочной перспективе и развитие осложнений в долгосрочной. Для этого существуют приборы для измерения уровня глюкозы – глюкометры. Суть прибора заключается в том, что пациент делает прокол в пальце и извлекает из него каплю крови, помещаемую на тест-полоску глюкометра, после чего происходит анализ концентрации оптическим либо электрическим методом. Проблема заключается в том, что таких измерений диабетику приходится делать порядка 5 раз в сутки. Это означает, что он совершает свыше 1500 проколов пальцев рук в год. Если учесть, общее число диабетиков, то это означает, что в 2015 году ими будет совершено свыше 700 миллиардов проколов пальцев. Каждый прокол – это не только дискомфорт, потеря крови, риск заражения, но и трата средств на тест-полоски для глюкометров.
Современный глюкометр
Цель проводимых разработок – создание методики, позволяющей получать данные о концентрации глюкозы неинвазивным образом, иными словами – без прокола пальца пациента. Это поможет снизить расходы на тест-полоски, уменьшить загрязнение окружающей среды, сберечь кожу и капиллярную систему пациентов, из которой делается забор крови, снизить дискомфорт пациентов, исключить риск заражения крови, и, что самое главное, повысить частоту, с которой пациент сможет контролировать свой уровень глюкозы, что приведёт к снижению количества осложнений и летальных случаев», – рассказал важность и актуальность своих исследований Святослав.
Призма, позволяющая задержать излучение в схеме терагерцового спектрометра
Ещё одно перспективное направление фотоники – разработка и исследование метаматериалов – сформированных и особым образом структурированных сред, обладающих электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически, либо не встречающимися в природе. Теоретически, такие материалы позволят создавать покрытия с удивительными свойствами.
Графен – один из видов метаматериалов, обладающий экстраординарными свойствами
Одно из таких свойств, над которым работает сотрудник лаборатории «Терагерцовой биомедицины» Егор Гурвиц – это невидимость. «История про артефакт, позволяющий делать объект невидимым, восходит к древнегреческому мифу о Персее, и является одной из самых популярных мифологем, которая и сейчас будоражит умы людей. Однако учёные поняли этот миф буквально и с полной отдачей принялись за изучение проблемы невидимости. Для того чтобы сделать объект невидимым, необходимо всего несколько факторов: чтобы солнечный свет не отражался от маскируемого объекта, но отражался от ландшафта, расположенного за маскируемым объектом, и попадал в глаз наблюдателя тем же путем, как если бы маскируемого объекта не было! Конечно, существуют некоторые ограничения на маскировку в видимом диапазоне (каждый охотник желает знать, где сидит фазан), но прогресс в этой области действительно впечатляет и заслуживает внимания. На сегодняшний день уже созданы технологии и покрытия, позволяющие маскировать самолёты от радиоволн (так называемые Stealth технологии), однако эти технологии не работают, если самолёт облучают два и более радара, или они излучают радиоволны с другой длиной волны.
Принципиально другой подход для маскировки объектов позволяет реализовать трансформационная оптика. Устройства на основе трансформационной оптики теоретически представляют идеальное маскирующее покрытие за счёт использования субволновых структур, создающих специальное распределение электромагнитных параметров, которое позволяет волне беспрепятственно обогнуть маскируемый объект так, как если бы его и не было. Что ж, ждём дальнейшего развития субволновых структур, чтобы сделать шапку невидимку», - поясняет Егор.
Егор Гурвиц наглядно объясняет, как могла бы работать шапка невидимка
Помимо исследовательской деятельности, кафедра Фотоники и Оптоинформатики осуществляет также и учебную деятельность. Большинство сотрудников кафедры – это студенты и аспиранты, которые совмещают научно-исследовательскую работу со своим обучением в Университете ИТМО. «Когда люди приходят на нашу кафедру после обучения в школе, чаще всего у них нет чётких планов на будущее, они не представляют, что их ждёт впереди, и не знают, как подступиться к научной деятельности, – рассказывает Алауди Денисултанов, представитель студенческого оптического сообщества OSC (Optical Student Chapter). – Несмотря на то, что многие студенты первого курса обладают незаурядной тягой к знаниям и значительным энтузиазмом, они не знают, как им можно себя проявить. Наше сообщество направлено на то, чтобы помочь им определиться с научной деятельностью и направить их стремления в нужное русло. Мы хотим, чтобы процесс адаптации к исследовательской работе у студентов младших курсов проходил как можно раньше и проще - это основная функция OSC, и мы всячески способствуем её исполнению».
Студенческое сообщество университета ИТМО является одним из самых крупных в мире. Ежегодно студенты сообщества имеют возможность посещать различные конференции, в том числе в Европе и США. Студенческое оптическое общество ежегодно проводит фестивали для старшеклассников, также регулярно проводит собрание для своих членов, организует неформальные мероприятия для отдыха, семинары с научной тематикой, мастер классы, помогает в организации школ и конференций для молодых учёных, куда приглашаются иностранные специалисты международного класса. Также свободно распространяется информация о текущих грантах, стипендиях, международных симпозиумах, конференциях и семинарах, в которых может поучаствовать любой студент!
Зимний выезд Оптической студенческой ячейки Университета ИТМО
Об авторе
 |
Алиса Пшенова - студентка 4 курса НИУ ИТМО кафедры Оптоинформационных Технологий и Материалов |
.
