Многие помнят, как лет 15 назад появились искусственные ткани, подозрительно похожие на натуральные. Но мало кто знает, что к этому делу приложили руку, а точнее лазер, ученые ФИАН. Сгустки фотонов, которые они направляли на поверхность синтетического материала, разрыхляли, “взлохмачивали” его, и он приобретал вид, например, шерстяного или мехового изделия.

Эту работу фиановцы делали по заказу компании “Дюпон”, известной, в частности, своими тефлоновыми сковородками. Но задачу перед учеными они тогда поставили не “кухонную”: воздействовать на нейлон так, чтобы тот утратил неприятный многим потребителям синтетический блеск и одежда из него стала больше походить на натуральную. С помощью излучения с длиной волны около шести микрон на волокнах синтетических тканей удалось создать так называемые периодические микроструктуры, которые и придали им нужный вид.

В те времена квантовые генераторы могли создавать наносекундные импульсы. Этого было достаточно для обработки, скажем, нейлона. Но для того чтобы светом ювелирно обработать поверхность металла, требовалось сократить длительность импульсов в тысячи раз. Сейчас установки с такими возможностями есть. Это так называемые фемтосекундные лазеры, открывающие перед исследователями и практиками широкие горизонты. Их можно использовать, например, для изучения сверхбыстрых процессов, в том числе в области фундаментальной физики, для прецизионной обработки материалов, создания микроскопических отверстий в мышце сердца, улучшающих кровообращение. Одна из перспективных сфер применения таких лазеров - изготовление микро- и наноструктур: можно “заставить” вещество отвердевать в виде структуры определенной формы.

Недавно сотрудники лаборатории газовых лазеров Отделения квантовой радиофизики ФИАН преодолели субмикронный барьер - научились “выжигать” на твердых поверхностях структуры размером около 100 нанометров.

- Обычно минимально возможные “наноконструкции” получают путем молекулярно-атомарной сборки, - объясняет старший научный сотрудник института кандидат физико-математических наук Сергей Кудряшов. - Их изготавливают с помощью туннельного микроскопа. Но такая процедура требует очень много времени. Мы пошли другим путем: изменяем свойства большой (несколько квадратных миллиметров) поверхности материала сразу на наноуровне с помощью фемтосекундного лазера “Старт-248М”, специально созданного для нашей лаборатории компанией-резидентом Троицкого технопарка ФИАН (“Авеста-Проект”). На такую процедуру уходит (в зависимости от типа материала) от нескольких минут до нескольких часов. Различные наноструктуры создаются почти “вслепую”. Поэтому необходима их визуализация микроскопическими методами, например с помощью сканирующих электронных микроскопов с высоким увеличением. Они позволяют рассматривать детали размером до 20 нанометров.

По словам заведующего лабораторией газовых лазеров, доктора физико-математических наук, профессора Андрея Ионина, такие исследования носят фундаментальный характер, и пока невозможно предсказать, какие открытия ожидают ученых на этом пути. Ведь, начиная со 100 нанометров, вступают в силу парадоксальные законы квантового мира, и свойства материалов с наноструктурами на поверхности могут кардинально отличаться от обычных. У них изменяются смачиваемость, эмиссионные и другие характеристики. Ученые пока делают первые шаги на пути изучения и понимания свойств таких материалов. В работе участвуют также специалисты ФИАН в области материаловедения, сотрудники Белгородского государственного университета и Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН, студенты МИФИ и МФТИ.

Исследовательские работы начинались с фемтосекундной лазерной обработки поверхности кремния, позволяющей увеличить коэффициент поглощения материала. Такие технологии известны, но новые подходы расширяли круг их практического применения. Затем настала очередь алюминия, никеля, золота, железа, графита, сверхпроводящей керамики и, наконец, титана, без которого сегодня невозможно представить, скажем, медицину или аэрокосмическую отрасль. Сотрудники лаборатории решили понять, как будет вести себя этот металл, если его поверхность обработать фемтосекундным лазерным излучением. Предполагалось, что новые свойства могут значительно расширить сферу его уникальных применений. И действительно, оказалось, что при увеличении плотности энергии фемтосекундных лазерных импульсов наноструктуры на поверхности титана получаются все более мелкими (до 90 нм). На других же материалах большинство мировых исследовательских групп наблюдало прямо противоположный эффект.

Исследователи из ФИАН совместно с технологами Смоленского производственного объединения “Кристалл” также установили, что фемтосекундными лазерными импульсами можно маркировать натуральные, сверхчистые монокристаллические алмазы, создав внутри кристалла графитовую структуру - логотип производителя или индивидуальный номер камня - размером менее 10 микрон.

- Она совершенно незаметна невооруженным глазом, но легко читаема, если рассмотреть драгоценный камень под микроскопом, - замечает старший научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Леонид Селезнев.

Сейчас в диагностической медицине большое значение придают так называемым квантовым точкам. Это наночастицы, имеющие определенный спектр излучения. Их еще называют искусственными атомами. Только свойства обычного атома всегда остаются неизменными, а спектр излучения и цвет квантовых точек можно регулировать, меняя их размер. Биохимики научились “пришивать” к ним характерные молекулы-зонды, которые способны специфически связываться с определенным куском ДНК, белком, антителом, стенкой сосуда и другими объектами внутри организма. При таком связывании размер и цвет точки изменяются. Причем новый цвет заранее выбирается так, чтобы его легко можно было обнаружить. Все это открывает широкие возможности для диагностики.

Но как получают искусственные атомы? Оказывается, просто. Когда лазером обрабатывают материал, погруженный в жидкость, то вырванные с его поверхности частички вещества образуют коллоидный раствор. Если размеры частичек меньше микрона, то получается суспензия из квантовых точек. Кстати, искусственные атомы используются не только в медицине, но и в технике. Например, для наполнения пустот внутри фотонных кристаллов на базе искусственных опалов, чтобы придать им новые, порой необычные свойства.

Ученые лаборатории газовых лазеров и лаборатории комбинационного рассеяния света ФИАН во главе с доктором физико-математических наук профессором Владимиром Гореликом проводили эксперименты с искусственным опалом, “сконструированным” из мельчайших (размером 200 нанометров) шариков кремнезема, попросту говоря - стекла. И хотя эти шарики прозрачные, но из-за особенностей “упаковки” кристалла возникает так называемое брэгговское отражение, благодаря которому опал получал характерную окраску. Вводя в пустоты решетки фотонного кристалла магнитные, диэлектрические, пьезоэлектрические или другие наночастицы в виде суспензии, получают нанокомпозит с любопытными свойствами, который может служить в том числе активной средой для лазеров. К слову, звезды Кремля обладают особенным “рубиновым” цветом благодаря привнесенным в цветное стекло наночастичкам золота.

Уже давно офтальмологи-хирурги научились проводить с помощью эксимерных лазеров операции по коррекции зрения. Использование новых технологий с применением фемтосекундных квантовых генераторов сделало подобные операции более продуктивными и безопасными. На небольшой глубине роговицы глаза создается поверхность из микропузырьков, благодаря чему от верхней части роговицы отслаивается тонкий лоскут. После операции изъятый кусочек ткани возвращается обратно. Полученная рана незаметна и быстро заживает, практически в тот же день человек может даже сесть за руль автомобиля. Сотрудники лаборатории газовых лазеров ФИАН в содружестве с коллегами из Центральной клинической больницы РАН получили первые удачные результаты по созданию фемтосекундными лазерными импульсами тонких лоскутов на склере (белке) глаза, где нередко формируются различные недоброкачественные образования. По результатам этой работы уже опубликована статья в научном журнале.