Междисциплинарная научная группа из Сколтеха определила резонансные частоты вибраций панцирей диатомовых. Так называются одноклеточные микроводоросли с узорчатыми экзоскелетами из «природного стекла» — диоксида кремния. Их структура, доведённая до совершенства эволюцией, привлекает инженеров, работающих над электронными и оптическими микроустройствами: крошечными ультразвуковыми датчиками для высокотехнологичной медицинской диагностики и сверхбыстрыми фотонными микросхемами, которые будут обрабатывать световые сигналы вместо электрических. Однако без детального изучения свойств панцирей создать такие устройства не получится, и опубликованное в журнале Applied Physics Letters исследование — шаг в эту сторону.

Диатомовые водоросли — основной компонент планктона. Они настолько широко распространены в океанах, реках и почвах, что на них приходится четверть всей биомассы планеты и пятая часть кислорода, который вырабатывают растения Земли. Столь успешное приспособление этих организмов с их характерными прочными и лёгкими панцирями подтолкнуло учёных исследовать их свойства и структуру, что привело к их применению в ряде материалов и продуктов — от абразивного (шлифовального) компонента зубной пасты и состава для полировки металла до систем водоочистки и кошачьих туалетов. На очереди более высокотехнологичные приложения. 

«В этой работе компьютерное моделирование сочетается с экспериментом, — рассказывает первый автор исследования, научный сотрудник Сколтеха Юлияна Цветинович, — В ходе моделирования резонансные частоты диатомовых в диапазоне от 1 до 8 МГц были спрогнозированы, после чего мы получили первое известное экспериментальное подтверждение значений этих частот при помощи атомно-силового микроскопа». Измерения выполнил старший научный сотрудник Сколтеха Сергей Лучкин.

Знание резонансных частот этих микроскопических структур необходимо, чтобы воспроизвести их «природный дизайн» при изготовлении элементов крошечных устройств, сочетающих механику с оптикой (фотонные интегральные схемы) либо с электроникой (микроэлектромеханические системы). В свою очередь, устройства такого рода используются в качестве микрофонов гаджетов, датчиков давления в автомобильных шинах, акселерометров в гарнитурах виртуальной реальности, динамиков слуховых аппаратов, сенсоров в составе навигационных систем самолётов и т. д.

«Изделия, повторяющие структуру диатомовых панцирей можно было бы использовать в качестве основных компонентов таких и других устройств, где требуется высокая чувствительность к вибрациям или гашение вибраций, — пояснила Цветинович. — Дело в том, что в микромире даже сравнительно слабые вибрации могут негативно отражаться на производительности устройств. И тут могут помочь элементы, копирующие устройство панцирей».

Один из руководителей исследования, профессор Сколтеха Дмитрий Горин, заведующий Лабораторией биофотоники, привёл пример прорывной области в медицине, развитие которой бы могли стимулировать новые микродетекторы ультразвука: «Наша лаборатория активно развивает инновационный метод медицинской диагностики, который называется оптоакустикой. Принцип работы основан на том, что при помощи безвредного для человека света возбуждаются ультразвуковые колебания интересующих нас объектов внутри организма — этими объектами могут быть клетки крови, капилляры и сосуды. Термоупругая деформация, инициируемая лазерным импульсом, заставляет их издавать ультразвуковой сигнал. И если у вас есть очень чувствительный датчик, то вы можете „услышать“ этот сигнал и реконструировать местоположение и химический состав данных объектов в организме. Такой датчик можно изготовить на основе фотонных интегральных схем, а его сенсорная мембрана будет воспроизводить структуру панциря водоросли».

Ранее исследователи из Сколтеха предложили оптоакустический эндоскоп для микрохирургии и медицинской диагностики. Они также определили, как статические и динамические механические свойства панцирей диатомовых водорослей связаны с их структурой, что потребовало виртуозного с точки зрения владения атомно-силовым микроскопом эксперимента. Эти данные легли в основу компьютерного моделирования в новой статье в Applied Physics Letters, которая также не появилась бы без ранее опубликованных теоретических исследований по вычислению резонансных частот диатомей профессора Сколтеха Александра Корсунского; в новой работе он тоже выступил одним из научных руководителей.

Один из вариантов продолжения работы, по мнению самих учёных, — разработка искусственных структур на основе диатомовых водорослей и изучение их интеграции в ультразвуковые детекторы на основе фотонных интегральных схем в качестве высокочувствительных мембран.

Исследование, освещённое в пресс-релизе, выполнено междисциплинарным научным коллективом, в котором представлены Центр фотоники и фотонных технологий, Центр энергетических технологий и Центр системного проектирования Сколтеха. Работа поддержана грантом № 22-14-00209 Российского научного фонда.