Wiadomości ERBN - Zagłębianie się w mikroskopijnym świecie
Wyobraźcie sobie Państwo basen o kształcie o kręgu, na którego obwodzie zamontowano trampolinę. A teraz wyobraźcie sobie, że ten "basen" reprezentuje okrągłe zakończenie światłowodu, a "trampolina" jest mniejsza, niż ludzki włos. Właśnie takie urządzenie opracowuje dr Iannuzzi. Nazywane "dźwignią na końcu światłowodu" ('fibre-top cantilever'), rozwiązanie opracowane przez dr Iannuzzi'ego być może zrewolucjonizuje wiele dziedzin nauki. Zakończenia światłowodów Powyższe prace badawcze mają swe korzenie w eksperymentach z dziedziny fizyki fundamentalnej, prowadzonych przez dr Iannuzzi'ego, których celem było zmierzenie sił powstających w wyniku zachodzenia zjawisk kwantowych, takich jak efekt Casimira. W przypadku urządzenia pomiarowego promień światła laserowego pada na maleńką dźwignię. Badana siła powoduje wygięcie dźwigni, a pomiar tego wygięcia na podstawie ugięcia światła pozwala określić wartość mierzonej siły. "Jednak przyrządy pomiarowe dostępne na rynku są niedokładne", tłumaczy dr Iannuzzi. "W tego rodzaju urządzeniach wiązka laserowa jest zwykle zbyt szeroka. W efekcie, jeśli nie trafia w dźwignię, może to zaburzyć wynik precyzyjnych, mikroskopijnych pomiarów". Próbując sprostać powyższemu wyzwaniu naukowcy postawili sobie następujące pytanie: "Dlaczego nie przytwierdzić dźwigni do zakończenia światłowodu?" Uczestnicy projektu wykorzystali światłowody stosowane w telekomunikacji, o średnicy 0,1 mm, przesyłające promienie światła laserowego o średnicy 0,01 mm. Światło laserowe pada dokładnie na dźwignię, a następnie jest odbijane do wnętrza światłowodu. Pomiar interferencji pomiędzy światłem padającym, a odbitym pozwala określić stopień odchylenia dźwigni. Dzięki grantowi ERC na rozpoczęcie badań naukowych "mogliśmy rozwinąć powyższą technologię i opatentować metodę produkcji", tłumaczy dr Iannuzzi. "Stosując te same techniki mikro-obróbki, dzięki którym powstają oparte na krzemie urządzenia MEMS, możemy wytwarzać urządzenia mocowane w zakończeniach światłowodów", dodaje Iannuzzi. Potencjalne zastosowania powyższych rozwiązań obejmują mikroskopię sił atomowych ('atomic-force microscopy' - AFM). W przypadku AFM ostre zakończenie dźwigni może być przyciskane do powierzchni, a następnie przesuwane "niczym igła gramofonu". Rejestrując miejsca ugięcia "igły" można odtworzyć kształt powierzchni z dokładnością rzędu nanometrów, czyli znacznie większą, niż ma to miejsce w przypadku mikroskopów optycznych. Tradycyjne urządzenia tego rodzaju są nieporęczne i drogie, a odpowiednia regulacja ich elementów mechanicznych i optycznych stanowi duże wyzwanie, "jednak przytwierdzenie dźwigni do zakończenia światłowodu sprawia, że regulacja nie jest konieczna", twierdzi dr Iannuzzi. Chociaż produkcja tego rodzaju czujników jest droższa, opracowane przez nas rozwiązanie umożliwia tworzenie tańszych i mniejszych mikroskopów. "Stworzyliśmy już kompaktowy prototyp, który jest przenośny", dodaje Iannuzzi. Ponieważ dźwignia jest umieszczana na końcu długiego światłowodu, z urządzenia można korzystać w wymagającym środowisku, gdyż podzespoły elektroniczne znajdują się w bezpiecznej odległości. Powyższe rozwiązanie można także wykorzystywać w niewielkich, wąskich przestrzeniach: "Docelowo pragniemy zastosować opracowany przez nas system w kontekście chirurgii minimalnie inwazyjnej". Nowe przedsiębiorstwa Dzięki wsparciu w postaci grantu na realizację prototypu, zapewnionemu przez ERC, uczestnicy projektu pragną obecnie dowieść, że powyższy proces jest skalowalny i możliwa jest produkcja komercyjna. "Byłoby to ogromne osiągnięcie dla naszej grupy badawczej, a także dla nowo powstałej firmy Optics11, której celem jest komercjalizacja powyższej technologii". Okazało się, że nowe rozwiązanie posiada kilka dodatkowych zalet, których nie przewidzieli uczestnicy projektu. "Możemy produkować mniejsze dźwignie, których zakończenie znajduje się dokładnie w osi promienia lasera", tłumaczy dr Iannuzzi. "Możliwy jest ponadto pomiar lokalizacji dźwigni w oparciu o jeden kolor, podczas gdy na dany punkt próbkowania pada światło innego koloru". Promień światła może ponadto wywoływać zjawisko fluorescencji w badanych materiałach, co pozwala gromadzić dane chemiczne, pochodzące z punktu poddanego badaniu. Dźwignia montowana na zakończeniu światłowodu wydaje się być też bardziej precyzyjna, niż rozwiązania konkurencyjne. "Nasze rozwiązanie pozwala nawet badać sztywność materiału oraz to, czy powierzchnia jest twarda, czy miękka", twierdzi dr Iannuzzi. Dzięki temu naukowcy będą mogli analizować właściwości komórek biologicznych, badając sztywność ścian komórkowych, co być może pozwoli diagnozować niektóre schorzenia. Powyższe zastosowania biofizyczne mogą przynieść lepsze zrozumienie podstawowych własności komórek, co w konsekwencji prawdopodobnie pozwoli opracować nowe rozwiązania medyczne i chirurgiczne. - Źródło: Dr Davide Iannuzzi - Koordynator projektu: VU Uniwersytet w Amsterdamie, Holandia - Nazwa projektu: Fiber-top micromachined devices: ideas on the tip of a fiber – Akronim projektu: Ftmems - strona internetowa dr Davida Iannuzzi'ego - finansowanie w ramach 7PR (wezwanie ERC): Grant na Rozpoczęcie Badań Naukowych 2007 oraz grant na opracowanie prototypu - Wsparcie ze strony KE: 1,8 milionów euro - Czas trwania projektu: pięć lat Słownik AFM - mikroskopia sił atomowych ('atomic-force microscopy'): rodzaj mikroskopii skanującej sondy o bardzo wysokiej rozdzielczości, znacznie wyższej, niż oferują mikroskopy optyczne. W mikroskopach AFM zamiast światła rejestruje się właściwości fizyczne Efekt Casimira: siła opisywana przez teorię kwantową, która powoduje na przykład przyciąganie lub odpychanie dwóch nienaładowanych płytek, umieszczonych bardzo blisko siebie. Dźwignia: belka lub drążek podparte tylko z jednej strony. Fluorescencja: emisja światła (lub luminescencja) zachodząca w materiałach, które wchłonęły energię świetlną lub promieniowanie elektromagnetyczne innego rodzaju. MEMS - systemy mikro-elektromechaniczne ('microelectromechanical systems'): bardzo niewielkie urządzenia mechaniczne, sterowane elektronicznie. Systemy MEMS są zwykle produkowane poprzez osadzanie, podobnie jak mikroukłady półprzewodnikowe. Światłowody: Giętkie, przezroczyste włókna wykonane ze szkła, wykorzystywane w telekomunikacji ze względu na swoją zdolność do przesyłania promieni świetlnych.