Pasaulyje tobulinamos technologijos, leidžiančios fiksuoti aplinkos pokyčius šviesolaidyje esančiais mikrolęšiais arba naudojantis mikroskopiniu kraujo paėmimo tyrimu akimirksniu įvertinti žmogaus sveikatos būklę. Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centre jau gerą dešimtmetį eksperimentuojama su mikro bei nano optikos elementais ir jų panaudojimu, prisidedant prie pasaulinės pažangos.
Pagrindinės mikro bei nano elementų taikymo sritys – telekomunikacija, mikroskopija, biologija ir medicina, lazerinių šaltinių gamyba, saulės elementų pramonė. Naudojant tiesioginio lazerinio rašymo litografiją galima suformuoti itin aukštos erdvinės skyros nanometrinių matmenų trimačius optinius elementus be jokių ribojimų. Ką tai reiškia?
„Esame lazerių fizikai, daugiau kaip dešimtmetį darantys tai, kas vadinama daugiafotone polimerizacija arba lazerine litografija. Tiesa, daug greičiau plintantis, šiuo metu prigijęs terminas yra 3D spausdinimas. Lazeris taip pat naudojamas optiniam, trimačiui spausdinimui atlikti, todėl esame šio proceso dalis“, – paaiškino dr. Mangirdas Malinauskas, Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro vyresnysis mokslo darbuotojas.
Trimatis spausdinimas ateityje – koks jis?
3D spausdinimas ultra trumpųjų impulsų lazeriu išsiskiria netiesinė šviesos-medžiagos sąveika, dėl kurios dėka pasiekiamas „tikras“ trimatiškumas (ne 2D ar 2,5D dariniais), kur kas didesnis erdvinis tikslumas: dariniai gali būti daug smulkesni, tikslesni, gali skirtis paviršiaus šiurkštumo kokybė, medžiagos fotomodifikacijos laipsnis. Be to, lazeris aprėpia platesnį apdirbamų medžiagų spektrą – juo galima apdirbti stiklą, metalus, polimerus, baltymus. Tuo tarpu standartinis 3D spausdintuvas gali spausdinti tik tam tikru tikslumu ir tik iš tam tikros medžiagos.
„Galima sakyti, kad mūsų laboratorijose glūdi ateities 3D spausdintuvai, kuriems reikalingas įgudęs vartotojas. Darbas lazeriu vyksta kur kas lėčiau, jį atlikti sudėtinga, o atkartoti produktą – sunku. Tačiau trimatis darbas lazeriu – kur kas įdomesnis, – įsitikinęs dr. M. Malinauskas. – Tiesa, dėl gamybos kainos, vartojimo sudėtingumo ar mažo našumo spausdinimas lazeriais gali likti tiktai nišiniu objektu – unikaliu ir nepakeičiamu, tinkamu moksliniams tyrimams atlikti. Iš kitos pusės, darbui pasiteisinus, tai būtų prieinama kiekvienam. Taigi, sėkmės atveju dar po 3–5 metų mikro bei nano darinių spausdinimas lazeriu gali tapti standartu, nesėkmės atveju – likti įgytomis žiniomis, kurios galės būti pritaikytos kitose srityse.“
Mikro ir nano darinių tyrimai optiniams taikymams Lazerinių tyrimų centre prasidėjo projektu „Mikro/nanooptikos elementų formavimas lazerinės ir elektronų pluošto litografijos metodais“, kurį finansavo Lietuvos mokslo taryba. Nors pagal kalendorinius įsipareigojimus šis projektas vykdytas 2012–2014 m., tyrimai tebesitęsia: prisijungėme prie NATO programos „Mokslas taikai“ projekto, kuriame dalyvauja Ispanijos, Turkijos, Japonijos, Australijos ir Lietuvos mokslininkai bei UAB „Ekspla“.
„Tarybos finansuoto projekto tikslas buvo mikro bei nano darinių tyrimas, formavimas, o nūdien vyksta tolimesnis jų pritaikymas, naudojimas kitiems tyrimams. Projekto metu buvo kuriami mikro bei nanooptikos produktai, tarp jų – mikrolęšiai, kurie įdomūs pasaulinėje mokslinėje ir taikymų rinkoje: tai, ką išmokome tuomet, kaip standartinius bandinius naudojame iki šiol“, – pasakojo dr. M. Malinauskas.
Šviesolaidžiai: aplinkos pokyčių fiksavimo perspektyvos
Lazeriais išgaunami mikrolęšiai turi dvejopą naudą. Visų pirma, klasikiniai optikos elementai – lęšiai, prizmės ar gardelės – sumažinami net iki 1000 kartų. Palyginus, ant žmogaus plauko skersmens tilptų net trys tokie mikrolęšiai. Antra, VU Lazerinių tyrimų centro darbuotojų naudojama technologija padeda kelis elementus sujungti į vieną. Pavyzdžiui, ir lęšis, ir gardelė gali būti viename darinyje ir atlikti dvi funkcijas. Tai reiškia, jog ant nupjauto optinio šviesolaidžio galo galima užlipinti norimą optinį elementą, todėl šviesa gali būti ne tik perduodama, bet ir valdoma, nukreipiama, o uždėjus gardelę – filtruojama pagal spalvą.
„Vienas šviesolaidis paprastai perduoda vieną bangos ilgį – vieną signalą, o mikrooptinių ir nanooptinių elementų pagalba šviesolaidžiu tuo pačiu metu gali sklisti kelios spalvos, keli signalai: tiesiai, į kairę ir dešinę. Šitai leidžia standartinius optikos elementus papildyti naujais mikro elementais ir patobulinti jų veikimą, – pasakojo lazerių specialistas. – Šiai dienai aktualiausias mikrooptinių komponentų pritaikymas yra jų tvirtinimas ant šviesolaidžių galų, naudojant juos kaip dujų, skysčių, cheminių elementų nustatymų, šviesos, temperatūros ar garso pokyčių jutiklius.“
Šviesolaidžių su mikrolęšiais pagalba aplinkos signalai surenkami ir nukreipiami į kompiuteriuose esančias duomenų bazes. Tai leidžia stebėti aplinką kur kas aukštesniame lygmenyje: šviesolaidį su jutikliu galima nuvesti ten, kur nepatogu ar nesaugu pasiekti – tarkime, po vandeniu ar aukštai prie elektros kabelio.
Pasak dr. M. Malinausko, šviesolaidis patogus tuo, kad duomenų registravimo įrangą nuo jutimo įrangos gali skirti labai didelis atstumas ar nepalankios tyrimui atlikti aplinkos sąlygos (temperatūra, slėgis, cheminė sudėtis). Mikrolęšiai pasitarnautų net ir matuojant lėktuvo sparnų susidėvėjimą skrendant – sparnuose išvedžiotas šviesolaidžių tinklas leistų fiksuoti akimis nematomus mikro įtrūkimus ir iš anksto siųstų perspėjančius signalus.
Neribotos mikrolęšių panaudojimo galimybės
Mikrolęšiai pravartūs ir medicinoje taikomoje mikroskopijoje ar spektroskopijoje: kai tenka tirti žmogaus organizmo vidų, invazinę procedūrą siekiama atlikti kuo minimaliau pakenkus.
„Operuojant akį ar kraujagyslę standartiniai invazijos būdai yra per drastiški: siekiant pažiūrėti, kas yra žmogaus audinyje, jis suardomas, – kalbėjo vyresnysis mokslo darbuotojas. – Tuo tarpu šviesolaidžio skersmuo toks, kad gali sutilpti į adatą, todėl šviesolaidį suleidus tarsi vaistus, galėtume iš vidaus stebėti, kas vyksta žmogaus organizme – tiek operacijos metu, tiek fiksuojant, kaip, pvz., prigyja implantas, arba ar suleistos kamieninės ląstelės laikosi kartu, ar pasiskirsto po organizmą.“
Lazerių specialisto teigimu, sumažinus visus elementus, būtų galima palengvinti ir diagnostiką. Lietuvoje jau galima gauti elektroninį receptą, todėl viešosiose erdvėse būtų galima pastatyti kraujo mėginio pridavimo aparatus, kurie paimtų tik labai mažą kraujo kiekį, o toks aparatas galėtų stovėti didesniuose prekybos centruose šalia bankomatų ar taromatų.
„Mikro bei nano dariniai pravartūs tuo, kad mėginio jiems reikia labai nedaug: tai būtų neskausminga ir kur kas greičiau suveiktų, nes kraujo nereikėtų rūšiuoti, filtruoti ar laukti, kol nusistovės. Tyrimams pakaktų mažiausio lašelio: tūkstančiai mažų lęšiukų vienu metu aprėptų tūkstančius ląstelių ir nustatytų, kiek iš jų – sveikų, kiek – pakitusių, todėl atsakymas būtų gaunamas akimirksniu. Rezultatus asmuo galėtų siųsti gydytojui, o šis – juos apibendrinti. Tokiu atveju būtų sunaudojama kur kas mažiau mėginių ėmimui skirtų resursų (stiklo, žaliavų) ir asmeninio laiko“, – neįtikėtinas ateities perspektyvas apžvelgė dr. M. Malinauskas.
