Eine internationale wissenschaftliche Gruppe, bestehend aus Wissenschaftlern von NUST „MISiS“ und der Polytechnischen Universität Turin, hat ein neues Metamaterialmodell entwickelt, das die Genauigkeit von Nanosensoren in Optik und Biomedizin verbessert, indem sie vor externer Strahlung maskiert werden. Ein Artikel über die Ergebnisse der Studie wurde in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht .Die Entwicklung eines Modells eines neuen Metamaterial-Maskierungs-Nanosensors erfolgt im Rahmen des russisch-italienischen Projekts ANASTASIA (Fortgeschrittene nicht strahlende Architekturen, die zäh streuen und unsichtbare Anapole erhalten), dessen Zweck darin besteht, ein solches Metamaterial zu modellieren und anschließend neu zu erstellen, das Objekte im Nanobereich unsichtbar macht in allen Wellenbereichen.
„Ein großes Objekt zu verstecken ist tatsächlich einfacher als ein kleines“, sagt ein Doktorand am Labor für supraleitende Metamaterialien bei NUST MISiS und der Hauptautor des Artikels, Anar Ospanova. - Es gibt verschiedene Tarntechniken und Stealth-Technologien. Wenn wir uns jedoch mit nanoskaligen Objekten befassen - zum Beispiel Sensornadeln in der Biomedizin oder der Physik - wird die Situation komplizierter. Normalerweise sind Nanosensoren den untersuchten Objekten angemessen. Wenn sie in das Medium gelangen, beeinflussen sie es daher sehr stark - sie ändern den Druck darin, streuen die Strahlung und es wird schwierig zu verstehen, wo die Eigenschaften der Nadel und wo die Eigenschaften des Objekts selbst sind. Wir haben uns entschlossen, die Strahlung vor Nanosensoren zu "verbergen" und damit die Genauigkeit ihrer Arbeit zu erhöhen. "
Das Hauptelement des von Wissenschaftlern modellierten Metamaterials ist ein Metamolekül, das aus vier Zylinder-Dielektrika aus Lithiumtantalat - LiTaO3 - mit einem Radius von 5 μm besteht. Dielektrika bilden eine Art Hülle für den Nanosensor und interagieren mit Strahlung. Der sogenannte Zustand des Anapols, eines nicht strahlenden Streuers, entsteht. (Abb. 1). Dadurch wird das Objekt für einen externen Beobachter unsichtbar (Abb. 2 c). Alle Elemente - ein Nanosensor und Dielektrika - streuen einzeln Strahlung und verzerren das Bild elektrischer und magnetischer Felder stark (Abb. 2 a, b).
Abbildung 1 -
Visualisierung eines Metamoleküls bestehend aus einem Nanosensor - einem Metallzylinderleiter (in der Mitte) und vier Zylinder-Dielektrika (entlang der Kanten), wobei P das elektrische Dipolmoment des Leiters ist, T das toroidale Moment des dielektrischen Mantels ist.
Abbildung 2 -
Visualisierung der sichtbaren Strahlung von Elementen außerhalb des Metamoleküls und in Form eines Metamoleküls, wobei (a) das zentrale Element ohne Hülle ist; (b) - Schalenelemente ohne zentrales Element; (c) ist das zentrale Element in der Schale.Für Berechnungen verwendeten wir einen Metallleiter mit einem Radius von 2,5 μm, der einen Nanosensor simulierte und eine sehr hohe Wellenstreuung aufwies, wodurch wir Berechnungen für das höchstmögliche Strahlungsniveau durchführen konnten. Die Simulation fand im Terahertz-Bereich zwischen Infrarot- und Mikrowellenbereich statt.
Wissenschaftler verwendeten LiTaO3 - Lithiumtantalat als Material des Metamoleküls, obwohl je nach Anwendungsbereich auch andere Materialien verwendet werden können. In der Nanooptik wird es beispielsweise möglich sein, mit Silizium und Germanium zu arbeiten.
Laut dem Leiter des ANASTASIA-Projekts von NUST „MISiS“, Associate Professor Alexei Basharin, hat das erzeugte Metamaterial Aussichten für die Verwendung in der Biomedizin, beispielsweise aufgrund der Verwendung von Kaliumchlorid, das mit dem menschlichen Körper als Hülle kompatibel ist.
„In einigen Fällen muss sichergestellt werden, dass das Objekt nicht mit dem Licht interagiert - beispielsweise bei der Abgabe von Arzneimitteln im Nanobereich. Unser oberstes Ziel ist es, ein Metamolekül zu schaffen, in dem sich die Streuung des Objekts und seiner Hülle trifft, sich gegenseitig neutralisiert und das Objekt im entsprechenden Wellenbereich unsichtbar macht “- Alexey Basharin.
Die nächste Phase der Studie - die experimentelle Erstellung der vorgeschlagenen Struktur unter Laborbedingungen - ist für Herbst 2018 geplant.
Derzeit wurden Erfahrungen mit der Herstellung von Materialien und Objekten gesammelt, die für einen sehr engen Strahlungsbereich transparent sind und Objekte nur in einem bestimmten Winkel verbergen. Die Aufgabe der ANASTASIA-Projektteilnehmer besteht darin, die Erfahrungen mit der Erstellung solcher Strukturen zu verallgemeinern und eine Theorie zu entwickeln, mit der Metamaterialien modelliert und anschließend erstellt werden können, die Objekte aus jedem Winkel und in einem weiten Bereich verbergen.