Первые биологические суперлинзы

Пауки опять помогают нанотехнологам

О. Алексеева, ПерсТ, том 24, № 1/2-2017

Ещё в 1873 г. немецкий физик-оптик Эрнст Аббэ установил, что разрешение оптического микроскопа («дифракционный предел») определяется как d=l/(2n sina), где l – длина волны света, n – показатель преломления среды, a – угловая апертура объектива. Эта знаменитая формула даже высечена на памятнике Аббэ, установленном около Йенского университета.

До недавнего времени с помощью оптического микроскопа нельзя было изучать структуры с расстоянием между элементами менее 200 нм. Только благодаря развитию нанофотоники, плазмоники, разработке метаматериалов удалось преодолеть дифракционный предел. На основе нескольких разных научных подходов были созданы так называемые наноскопы. (За разработку методов флуоресцентной микроскопии со сверхвысоким разрешением Э. Бетцигу (США), У. Мернеру (США) и Ш. Хеллю (Германия) в 2014 г. даже была присуждена Нобелевская премия по химии). Однако для исследований с помощью таких наноскопов требуется узкополосное лазерное излучение.

Недавно было обнаружено, что прозрачные микросферы и цилиндры способны действовать как суперлинзы, обеспечивающие разрешение 50-100 нм при использовании видимого света. Сначала авторы теоретической работы [1] показали, что при рассеянии света на диэлектрическом микроцилиндре область фокусировки аномально вытягивается, образуя «струю» света с очень малым размером в поперечном направлении. Photonic nanojet (фотонная наноструя) – такой термин ввели авторы. Затем на основе этого эффекта были разработаны первые наноскопы с суперлинзами-микросферами [2].

Сейчас во многих странах мира исследователи развивают и совершенствуют эту методику, предлагая различные варианты суперлинз (микросфер, микроволокон). Вот один из недавних примеров. Учёные из Китая и Великобритании разработали способ получения трёхмерного диэлектрического метаматериала, состоящего из наночастиц анатаза TiO₂ (15 нм) с высоким показателем преломления (n=2.55) [3].

Твердые иммерсионные суперлинзы из такого материала обеспечивают разрешение ~45 нм во всем диапазоне видимого света. Сначала исследователи приготовили водную суспензию наночастиц, получили осадок, затем воду над осадком заменили органическими растворителями (тетрахлорэтилен + гексан), не смешивающимися с водой. Каплю новой смеси («nano-solid fluid» по терминологии авторов) из шприца нанесли на изучаемый объект (рис.1, слева). Органический растворитель, содержащий тетрахлорэтилен (t кипения 121.1^оС), образовал защитный наружный слой, не позволяющий испариться воде, оставшейся в порах между наночастицами TiO₂. Так был получен новый пластичный «nano-solid fluid» материал, из которого можно формировать 3D структуры. После дополнительного выпаривания растворителей и воды образовалась «твердоподобная» (solid-like) 3D структура с еще более плотной упаковкой наночастиц (рис.1, в центре). Через суперлинзу можно увидеть мелкие детали микросхемы (рис.1, справа).

Рис. 1. Схема получения полусферической линзы из метаматериала. Каплю смеси наночастиц анатаза TiO₂, остаточной воды и органического растворителя наносят на изучаемый объект. После выпаривания растворителя формируется структура с ещё более плотной упаковкой наночастиц – микро(полу)сферическая линза. Справа – через суперлинзу видны детали изучаемого объекта.

Понятно, что процесс изготовления таких суперлинз достаточно сложный. Было бы желательно найти подходящий материал в природе. Авторы [3] и других работ по микролинзам из Bangor University (Великобритания) привлекли к своим исследованиям зоологов из University of Oxford (Великобритания), и в результате впервые продемонстрировали биологическую суперлинзу для видимого света [4]. Использовали цилиндрический фрагмент прозрачного паучьего шелка, который вытянули из малой ампуловидной железы широко распространенного в Австралии паука Nephila edulis, нефила-золотопряд (эта железа производит нить для перемещения паука). На рис. 2 показаны паук и схема использования биологической линзы.

Рис. 2. а – Паук Nephila edulis и паутина. b – Схема использования биологической суперлинзы. Цилиндрический фрагмент паучьего шелка (диаметр 6,8 мкм, показатель преломления 1,55) помещали на поверхность образца (Blu-ray диска) и фиксировали лентой.

Исследователи проверили качество линзы на образцах двух типов – микрочипе и оптическом Blu-ray диске с еще более мелкими элементами структуры поверхности. Оптический микроскоп не позволил различить на диске канавки шириной 100 нм из-за дифракционного предела, равного в данном случае 333.3 нм (длина волны используемого света ~600 нм), однако прозрачная биологическая суперлинза обеспечила высокое разрешение. На рис. 3 приведены SEM изображение поверхности диска и изображение, полученное с помощью оптического наноскопа.

Рис. 3. SEM изображение поверхности диска (слева). Изображение, полученное в режиме отражённого света с помощью оптического наноскопа с суперлинзой из паучьего шелка.

Цилиндрическая суперлинза из паучьего шёлка имеет одно явное преимущество перед микросферическими линзами – она может обеспечить большое поле зрения в направлении волокна (вплоть до нескольких сантиметров). Такие прочные и экономичные линзы могут найти широкое применение, особенно при изучении биологических систем.

Многие люди при виде пауков испытывают неприятные эмоции, и даже боязнь. Но постепенно отношение к этим живым существам меняется. Красивые крупные синие пауки стали популярными домашними питомцами. Существуют интересные сайты, посвященные миру пауков. В испанском городе Бильбао у входа в музей Гуггенхайма находится огромная скульптура черного паука (см. фото). Говорят, что этот паук (точнее, паучиха) обладает целебной энергией. Автор скульптуры, знаменитая Луиза Буржуа (1911-2010), в паучихах воплощала образ матери (которая, кстати, занималась ткачеством): «моя мать была, мудрой, терпеливой, незаменимой, аккуратной и полезной, как паук».

Пауки действительно полезны, и не только тем, что уничтожают мух и комаров. ПерсТ рассказывал, как исследования наноструктуры паутины привели к обнаружению (и объяснению) многих интересных свойств, например, необычайно высокой теплопроводности, прочности, эластичности [5]. Результаты помогают в разработке новых биомиметических волокнистых материалов. Изучение биофотонных наноструктур, отвечающих за ярко-синюю окраску пауков-птицеедов, важно для создания улучшенных экранов телефонов, телевизоров и других устройств, для снижения вероятности бликов и потускнения [6]. Теперь пауки помогли сделать суперлинзы.

Впереди новые успехи. Профессор Фриц Вольрат (Fritz Vollrath) из Oxford Silk Group, один из авторов [4], изучает пауков уже более 40 лет. Они живут в специальной теплице на крыше Оксфордского университета. Сейчас Вольрат работает над созданием имплантатов на основе паучьего шёлка (возможно, они будут доступны для медиков уже к 2018 г.) [7]. «Мы ещё очень многому можем научиться у пауков!», уверен профессор.

Литература:

1. Z.Chen et al., Opt. Express 12, 1214 (2004).
2. Z.Wang et al., Nature Commun. 2, 218 (2011).
3. W.Fan et al., Sci. Adv. 2, e1600901 (2016).
4. N.Monks et al., NanoLett. 16, 5842 (2016).
5. ПерсТ 19, вып. 17, с. 2 (2012).
6. ПерсТ 23, вып. 3/4, с. 4 (2016).
7. oxfordsilkgroup.com

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 20.02.2017