Наши инновации

Армянские ученые Акоп Маргарян, Нуне Акопян, Давид Оганесян, Тигран Саргсян и Валерий Абраамян удостоены Премии президента Армении за 2014 г. в сфере технических наук и информационных технологий за спектрополяриметр, созданный на основе оптического элемента нового поколения.

Как пояснил в беседе с корреспондентом NEWS.am один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра полупроводниковых приборов и нанотехнологий Ереванского Государственного университета Акоп Маргарян, прибор создан на основе оптического элемента нового, 4-го поколения. Изготовление этих элементов стало возможным только после синтеза в последние годы жидкокристаллических фотоориентируемых полимеров.

Предыстория вопроса

В 1888 году Рейнитцер обнаружил, что синтезированное им вещество плавится не в прозрачную жидкость, а в мутную, а мягкость этих кристаллов такова, что позволяет назвать их жидкими. Так и родилось вещество под названием "жидкие кристаллы", которому суждено было совершить революцию в технике ХХ века.

В 1924 году В.К. Фредерикс исследовал процесс ориентирования молекул жидких кристаллов во внешних полях. И только через 40 лет был изготовлен первый жидкокристаллический дисплей в виде цифровых часов. Несмотря на то, что эти вещества жидкие, они обладают многими свойствами кристаллов. Жидкие кристаллы - нечто промежуточное между обычными кристаллами и жидкостями.

Полимер - это вещество, в котором небольшие молекулы каким-либо путем образуют длинную, гибкую цепочку. Полимеры замечательны своей широкой рапространенностью – они присутствуют буквально везде. Организм человека также во многом состоит из полимеров (ДНК, РНК, целлюлоза, полисахариды).

Жидкокристаллические полимеры – это материалы, объединяющие свойства двулучепреломления жидких кристаллов и механические свойства полимеров.

До недавних времен ориентирование молекул ЖК производилось несколькими методами, самым распространенным из которых был метод механической обработки (затирки) поверхности подложки.  Очевидно, что это контактный метод, имеющий ряд характерных недостатков – высока вероятность загрязнения, накопления электростатического заряда и т.д. Создание фотоориентируемых полимеров позволило осуществлять ориенирование молекул жидкого кристалла бесконтактным способом, а именно при помощи света.

"Следует также отметить, - сказал А. Маргарян, - что еще в 50-ые годы прошлого столетия известный индийский физик С. Панчаратнам, а затем и английский ученый М. Берри, опубликовали теоретические работы по оптике, однако практическое осуществеление их оригинальных идей стало возможным только после синтеза жидкокристаллических фотоориентируемых полимеров. Возможность плавного и непрерывного управления локальной ориентацией молекул ЖК позволяет создать практический любой оптический элемент, но уже нового поколения, фактически реализуя тем самым теоретические предсказания Панчаратнама-Берри".

С использованием ЖК полимеров можно получить элементы, не имеющие аналогов в современной оптике. Начались бурные исследования этих материалов и элементов именно с точки зрения их практического применения. По сравнению со стандартными оптическими элементами они обладают рядом преимуществ: значительно меньшие размеры (толщина в 10000 раз меньше, чем у стандартных оптических элементов), широкополосность (работают как в ультрафиолетовом, видимом, так и инфракрасном диапазонах), многофункциональность, возможность изготовления на гибких подложках больших размеров, простота технологии и низкие цены.

Именно на основе такого элемента, жидкокристаллической поляризационной дифракционной решетки (ЖК ПДР), и создан прибор, за который группа удостоена столь высокой награды. "На выходе ЖК ПДР получаются оптические пучки только в +1 и -1 дифракционных порядках, т.е. такая решетка обладает практически 100% дифракционной эффективностью. При этом, в одном порядке получается пучок с левой круговой поляризацией, в другом – с правой. Это принципиально новый оптический элемент", - сказал Акоп Маргарян.

Созданный прибор предназначен для измерения кругового дихроизма биологических объектов.

Почему измерение кругового дихроизма столь актуально?

Круговой дихроизм – это эффект оптической анизотропии, проявляющийся в различии коэффициентов поглощения света, поляризованного по правому и левому кругу. Известно, что реакция организма человека на введенные извне молекулы с левым и правым вращениями различна. Врачи и биологи об этом знают. В частности, речь идет о лекарствах – сложных молекулярных соединениях. Лекарства, абсолютно идентичные по химическому составу, могут совершенно по-разному воздействовать на организм человека именно в связи с разницей в концентрации содержащихся в них молекул с левым и правым вращением.

Очевидно, что в производстве медикаментов необходим как межоперационный, так и окончательный контроль кругового дихроизма. Однако, спектрополяриметры, представленные сегодня на рынке, из-за дороговизны, сложности в использовании и габаритности находят применение лишь в крупных исследовательских центрах. В массовом же производстве биологических и фармацевтических препаратов эти приборы используются крайне ограниченно. Созданный армянскими учеными прибор может решить эту проблему.

Чем отличается созданный поляриметр от представленных сегодня на рынке?

"Измеритель кругового дихроизма, разработанный и собранный в нашей лаборатории, компактный, быстродействующий, прост в использовании. Применение прибора создаст возможность проводить пошаговый контроль по ходу технологического цикла при производстве медикаментов", - отметил Акоп Маргарян.

Традиционные поляриметры для установления рабочего режима требуют порядка 30 мин и более, имеют высокое энергопотребление, большие размеры и нет возможности проводить измерения в реальном времени. Прибор, удостоенный премии президента Армении – компактный, энергопитание обеспечивается обычной батарейкой, рабочий режим устанавливается непосредственно при включении, а измерения осуществляются в режиме реального времени. Кроме того, если в традиционных спектрополяриметрах в качестве источника света используется мощная ксеноновая лампа, в разработанном приборе таковым является светоизлучающий диод (LED).

Перспективы

В настоящее время группа занимается исследованием оптических элементов нового поколения и возможных путей их применения. Прикладное применение этих элементов колоссально. Например, на их основе можно создать эллипсометры совершенно нового типа, а также прибор для неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови. "Кровь – многокомпонентная жидкость, и рассчитать концентрацию глюкозы из обычного спектра крови математически очень сложно. Однако глюкоза – единственный компонент крови, обладающий дихроизмом, и, используя оптические элементы нового поколения, реально создать прибор для неинвазивного определения концентрации глюкозы. Идея нами уже запатентована", - добавил А. Маргарян. Используются эти элементы также и для создания оптических пинцетов, применяемых в генной инженерии, для охлаждения атомов до нескольких нанокельвин (практически ноль), а также в области квантовой коммуникации.

Еще одна интересная деталь. Фотоориентируемые жидкокристаллические полимеры и фотоориентанты для своих опытов группа приобретала у швейцарской компании "Rolic". Однако недавно один из мировых лидеров в производстве дисплеев купил эту компанию, и сейчас приобрести такие материалы практически невозможно. "К счастью, наш соотечественник, Нельсон Табирян, президент американской компании "BEAMCo.", являющейся нашим многолетним партнером, организовал у себя синтез таких полимеров. "BEAMCo." сегодня является единственным коммерческим производителем таких веществ и по ходу работ регулярно поставляет их нам в необходимом количестве. Нам повезло, благодаря нашему партнеру удалось продолжить работу с этими новыми материалами, и мы сегодня находимся на передовых рубежах современной науки", - рассказал руководитель группы.