Российские исследователи создали «умную» линзу, которая дает возможность регулировать безопасное для живых клеток терагерцовое излучение. Новое устройство может лечь в основу «безвредного рентгена» с высоким разрешением изображения, а его свойство изменять параметры под действием электрического поля открывает перспективу разработки портативных приборов для визуализации опухолей в различных режимах работы. Эксперты отмечают, что изделие способно помочь перенести пока лабораторные технологии в практическую медицину.

Команда МФТИ совместно с коллегами из Сколтеха, ИТМО, ИОФ РАН, ИФТТ РАН, а также с научными центрами Китая и ОАЭ разработала линзу, которая умеет динамично менять интенсивность терагерцового излучения. Эти электромагнитные волны без труда проходят через неметаллические материалы и не наносят вреда живым клеткам. Поэтому оптический элемент, управляющий ими, открывает путь к созданию безопасного аналога рентгеновского исследования.

— Терагерцовый диапазон волн остается одним из наименее изученных участков спектра электромагнитного излучения. Это создает дефицит элементной базы, необходимой для фокусировки излучения. В существующих системах используются статичные линзы с заданными параметрами интенсивности, фокуса и т.п. Основная цель нашей работы заключалась в возможности динамического контроля линзы, что позволит создать адаптивную оптику для медицины. Например, представьте медицинский аппарат, который импульсно подает излучение и позволяет изучать реакцию биологических тканей на мощность терагерцового излучения, — рассказала старший научный сотрудник Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ Мария Бурданова.

Терагерцовые волны занимают особое место в электромагнитном спектре. Они легко проникают через неметаллические тела и при этом остаются полностью безопасными для живых клеток. Благодаря этому они рассматриваются как щадящая альтернатива рентгену, позволяющая без вреда заглянуть внутрь организма.

Тем не менее пока отсутствуют компактные и гибкие системы управления терагерцовыми волнами, в том числе динамически настраиваемые линзы. Нынешние устройства для фокусировки представляют собой статичные громоздкие конструкции с фиксированными при изготовлении характеристиками. В ответ на эти ограничения ученые создали ультратонкую линзу на базе углеродных нанотрубок, которая может изменять оптические свойства по необходимости.

— Углеродные нанотрубки — не единственный материал, который способен обеспечивать изменение характеристик линзы. Тем не менее по сравнению с другими «кандидатами» нанотрубки по совокупности свойств выглядят оптимальным и перспективным решением. Нашей команде удалось обеспечить настройку материала на разных уровнях — от атомарной упаковки до нового и одностадийного метода создания узоров, который открывает удивительные возможности для нашей науки и технологий в будущем, — сказал старший преподаватель Сколтеха Дмитрий Красников.

В предложенной линзе свет проходит через систему концентрических колец, которые как фильтры пропускают лишь те волны, что при сложении и усилении формируют четкий сфокусированный пик. Управление оптическими свойствами достигается подачей малого напряжения: при приложении от –2 до +2 вольт ионы в жидкости начинают смещаться, образуя двойной слой, подобный конденсатору, и «накачивают» пленку из нанотрубок электрическими зарядами. Это делает пленку более «прозрачной» либо «непрозрачной» для терагерцевых волн. В результате интенсивность луча в фокусе можно плавно и дистанционно менять в пределах от –20 до +15%.

Исследователи уже создали прототип и испытали его в лабораторных условиях, а также оформили патент на изобретение. Сейчас они работают над повышением скорости отклика системы, испытывая разные типы электролитов. В планах — разработка многослойных структур из линз с несколькими независимыми фокусами.

Помимо медицины, такие линзы применимы в телекоммуникациях: огромная пропускная способность терагерцевого диапазона делает его перспективным для устройств связи 6G, скорость которых во много раз превысит 5G.

Линза на базе углеродных нанотрубок, по словам старшего научного сотрудника НОЦ фотоники и оптоинформатики ИТМО Алексея Черных, отлично подходит для создания диагностической аппаратуры и систем визуализации.

— В отличие от пассивных статических линз наша разработка представляет собой программируемый и перестраиваемый оптический элемент. Она способна заменить несколько механических или оптических компонентов, таких как сканеры или наборы сменных линз. Это напрямую ведет к упрощению конструкции прибора, повышению его надежности и снижению стоимости, — сказал специалист.

Он отметил, что разрешающая способность традиционных оптических систем ограничена их фундаментальными свойствами, и новая разработка может преодолеть эти ограничения, позволив выявлять ранее неразличимые детали.

Терагерцовое излучение не ионизирует ткани, поэтому его безопасно применять для длительного и частого мониторинга живых объектов. Главное преимущество созданной линзы — адаптивность и возможность управления: через приложение можно быстро менять интенсивность фокуса, что открывает новые возможности для разработки интеллектуальных систем диагностики, считает самый цитируемый в мире ученый в области биофотоники, заведующий кафедрой оптики и биофотоники СГУ, лауреат национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Валерий Тучин.

— Например, для исследования биологических тканей устройство на основе линзы сможет сначала для более широкого обзора снизить интенсивность и найти область с патологией, а уже затем подсветить необходимую область на оптимальной интенсивности для получения максимально четкого и контрастного изображения границ и внутренней структуры опухоли, — сказал ученый.

Для биомедицинских задач важно, что компактные линзы можно встраивать в гибридные схемы с волноводами и эндоскопами. Это позволит создать портативные приборы для визуализации опухолей и проведения исследований на клеточном уровне, добавил он.

По мнению гендиректора группы компаний ST IT и эксперта рынка TechNet НТИ Антона Аверьянова, новая линза способствует переходу терагерцевых технологий из лабораторий в практику, решая проблему дефицита элементной базы и открывая дорогу компактным устройствам в медицине, связи и системах безопасности.

А эксперт НТИ по технологиям Леонид Дробышевич считает, что из-за низкой энергии терагерцовое излучение может применяться в сканерах контроля для визуализации и обнаружения запрещенных предметов и веществ.