Исследователи MIT (Массачусетского технологического института) создали крошечные 3D-фотонные устройства с элементами, достаточно малыми для направления видимого света.
Используя новую методику, позволяющую создавать вакансии на любом участке материала, а затем сокращать его примерно до 1/2000 его первоначального объема, исследователи из Массачусетского технологического института разработали нанотехнологические устройства, которые могут быть использованы для оптических вычислений и других приложений, связанных с манипулированием видимым светом.
Фото предоставлено исследователями
Новая технология изготовления, известная как «имплозионная гравировка», позволяет исследователям наносить элементы по всей поверхности гидрогеля с использованием фотолитографии. При разрешении около 800 нанометров эти элементы можно уменьшить до размеров менее 100 нанометров.
Поскольку это разрешение меньше длины волны света, устройства могут преломлять свет определенным образом, что позволяет им выполнять оптические вычисления.
«Чтобы обеспечить применение нанофотоники в видимом свете, нам необходимо создавать наноструктуры с размерами элементов с разрешением менее 100 нанометров. Только таким образом мы сможем точно создать структуру, способную управлять видимым светом», — говорит Quansan Yang, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, ныне доцент Вашингтонского университета и один из ведущих авторов нового исследования.
В своей статье исследователи продемонстрировали фотонное устройство, которое может выполнять простую задачу классификации цифр, но, по их словам, будущие версии могут быть использованы для высокоскоростной визуализации и обработки информации.
Gaojie Yang, бывший научный сотрудник MIT, является соавтором статьи, опубликованной недавно в журнале Nature Photonics. Старшими авторами статьи являются Peter So, директор Центра лазерных биомедицинских исследований (LBCR) МIT и профессор биологической инженерии и машиностроения MIT, и Edward Boyden, профессор нейротехнологии им. Y. Eva Tan в МIT и профессор биологической инженерии, медиа-искусства и наук, а также нейронаук и когнитивных наук. Boyden также является исследователем Медицинского института Howard Hughes и членом Института исследований мозга McGovern при МIT, коллектива Yang Tan и Института Koch интегративных исследований рака.
Размеры элементов на наномасштабе
Фотонные устройства, которые пропускают свет и управляют им, обладают потенциалом для использования в качестве оптических компьютерных чипов, могли бы стать энергоэффективной альтернативой полупроводниковым чипам. Однако существующие методы создания 3D-фотонных устройств еще не достигли 100-нанометрового разрешения, необходимого для передачи видимого света, длина волны которого составляет от 380 до 750 нанометров.
Используя технологию аддитивного производства, называемую двухфотонной литографией, исследователи могут использовать свет для создания трехмерных наноразмерных элементов, но с разрешением более 100 нанометров. Другой метод, известный как электронно-лучевая литография, может использоваться для травления элементов с меньшим разрешением на кремниевом чипе, но он не создает трехмерных структур.
Для создания 3D-устройств с необходимыми размерами элементов исследователи расширили концепцию «имплозионной обработки», которую лаборатория Boyden разработала в 2018 году, чтобы создать новый вариант, называемый «имплозионной гравировкой». При имплозионной гравировке лазер создает вакансии — крошечные пустоты, в которых удален гидрогелевый материал — в точно определенных местах. Эти вакансии проявляют другие оптические свойства, чем окружающий гидрогель. Затем гидрогель сжимается, чтобы уменьшить размер сформированных элементов до наноразмера.
Процесс создания рисунка начинается с погружения гидрогеля в фотосенсибилизирующий краситель. Затем исследователи используют лазер для возбуждения фотосенсибилизатора в определенных местах геля, который, в свою очередь, генерирует активные формы кислорода, которые разрывают связи, удерживающие гидрогель вместе. Это создает вакансию в этом месте.
После того как в гидрогеле сформирован желаемый рисунок вакансий, исследователи уменьшают его в размерах с помощью двухэтапного процесса. Сначала они замачивают его в растворе, содержащем ионы, что приводит к его уменьшению примерно в десять раз по каждому измерению. Чтобы еще немного уменьшить его и удалить водный раствор, гидрогель затем подвергается процессу, называемому сверхкритической сушкой, которая может удалить жидкость из геля, не повреждая его.
В конце процесса гидрогель сжимается более чем в десять раз по каждому измерению, что приводит к уменьшению его объема в 2000 раз.
Вычисления с помощью света
Чтобы продемонстрировать универсальность этой техники, исследователи использовали ее для создания нескольких 3D-форм, включая спираль и структуру, вдохновленную крылом бабочки. Некоторые из этих структур слишком тонкие и имеют слишком большое соотношение сторон, чтобы их можно было стабильно создавать с использованием обычной двухфотонной литографии.
Исследователи также создали устройство, которое может выполнять простой расчет, известный как цифровая классификация, задача, которая традиционно используется для проверки производительности нейронных сетей. Во время выполнения этой задачи устройству была представлена цифра, например, 1 или 5, и оно должно было засветить определенное место, чтобы указать, какой номер был обнаружен.
Чтобы этого добиться, исследователи по всему устройству сформировали вакансии так, чтобы оно действовало как нейросеть. Структура вакансий преломляла входящий свет при прохождении через множество слоев гидрогеля с заданным рисунком, так что выходной свет определялся формой цифры, введенной в систему.
«Это чисто оптическая система, которая эффективно выполняет оптические вычисления», — говорит So.
«Одна из очень привлекательных особенностей этой технологии заключается в том, что вы можете управлять свойствами материала в каждом крошечном месте, — говорит Dushan Wadduwage, доцент Университета Олд Доминион и бывший научный сотрудник MIT, а также один из авторов статьи. — У вас есть миллионы различных точек, свойства которых необходимо определить, и это превращается в действительно интересную задачу проектирования, где мы можем использовать алгоритмы глубокого обучения для поиска вариантов конструкции по этим миллионам параметров и создания деталей, которые можно использовать в оптических системах новыми способами».
Теперь исследователи планируют использовать те же принципы для создания оптических устройств, которые могли бы классифицировать клетки на основе их состояния при прохождении через микрофлюидное устройство. По их словам, это может помочь идентифицировать редкие клетки, такие как циркулирующие опухолевые клетки в образце крови.
Этот подход также может позволить создавать высокопроизводительные методы визуализации для таких применений, как анализ образцов тканей, полученных при биопсии или хирургических операциях. А если его адаптировать для работы с другими материалами, такими как гидрофобные полимеры, его также можно использовать для создания каналов в трехмерных наножидкостных устройствах.
Статья Anne Trafton с сайта MIT.NEWS (https://news.mit.edu),
12 мая 2026 года
Перевод подготовила Елена Михаленко
Публикация статьи из печатной версии газеты «Вестник бизнеса» №2(28) за 2026 год
