Американские ученые впервые создали
светочувствительное устройство на основе углеродных нанотрубок,
способное распознавать различные длины волн в видимом диапазоне
спектра. Это изобретение открывает перспективы разработки медицинских
технологий «искусственного зрения», может быть полезным в создании
высокочувствительных камер и эффективных солнечных элементов.
Ученые уже демонстрировали способность нанотрубок детектировать
отдельные длины волн, например в ультрафиолетовой области спектра.
Новое достижение – работа с целым спектром в видимом диапазоне – это
важный шаг в технологии.
В современных цифровых камерах улавливание света и передача
информации о нем в виде электрического сигнала происходит в так
называемой ПЗС-матрице (прибор с зарядовой связью, charge-coupled device) –
полупроводниковом кремниевом устройстве, в котором фотоны
регистрируются светодиодами, а электрический сигнал передается по
ячейкам матрицы в виде заряда, а не тока или напряжения. Напротив,
принцип работы светочувствительных элементов на основе углеродных
нанотрубок напоминает биологический процесс зрения. Нанотрубки,
модифицированные тремя типами хромофоров (молекул, способных изменять
свои свойства в ответ на поглощение света определенной длины волны),
изменяют свою проводимость в зависимости от длины волны попадающего на
них света, тем самым характеризуя его интенсивность и цвет изменением
электрического сигнала. На роль хромофоров ученые отобрали несколько
веществ, соответствующих красной, зеленой и синей полосам видимой части
спектра.
 На изображении, полученном с помощью
атомно-силового микроскопа, показана
отдельная нанотрубка, покрытая
светочуствительными молекулами;
длина нанотрубки составляет 2 мкм,
а толщина – около 1 нм.
Разработка светочувствительных устройств на основе нанотрубок еще
только начинается, но уже можно говорить о преимуществах новой
технологии перед используемыми в настоящее время фотоэлементами.
Во-первых, новые устройства гораздо более компактны и, как следствие, обеспечивают беспрецедентно высокое разрешение: оно фактически определяется диаметром нанотрубки и составляет около 1 нм. Во-вторых, для получения высокочувствительной
регистрации света вполне достаточно узко сфокусировать слабый световой
пучок. Также, технологическое выполнение чипов на основе углеродных
нанотрубок дружественно в отношении современных тенденций производства электроники: это возможность печати чипов на гибких полимерных основах и низкая себестоимость производства. А биосовместимость
(незначительное раздражающее действие в отношении биологических тканей)
делает новый светочувствительный материал перспективным кандидатом для
изготовления искусственной сетчатки.
В лаборатории Sandia National Laboratories (Ливермор, Калифорния),
где был разработан этот новый материал, ученые провели технологические
испытания пилотного экземпляра светочувствительного устройства.
Кропотливый процесс поочередного наслаивания одиночных нанотрубок на
кремниевую подложку и подведение к их концам электрических контактов
занял несколько дней. А модификация полученной системы хромофорами,
напротив, не вызвала затруднений: молекулы хромофоров самопроизвольно
встраиваются в нанотрубки с внешней стороны после нанесения раствора:
ученые специально разработали светочувствительные молекулы, способные к
самоорганизации на поверхности нанотрубок.
Масштабирование этого процесса, по мнению ученых, все же не станет
непреодолимым препятствием для дальнейших работ в этой области,
поскольку уже существуют методики нанесения сетей нанотрубок на
поверхность. В их числе – получение сети из нанотрубок с помощью
распыления, далее необходимо подвести электрические контакты и добавить
светочувствительный реагент.
Ученые из группы Нано-Биофизики Университета Калифорнии
(Nano-Biophysics Group, University of California, Los Angeles), которые
совместно с Sandia осуществляют этот проект, тем временем продолжают
работу над дизайном хромофорных молекул; в их планах – создание
сенсоров для инфракрасного света и усиление чувствительности новых
устройств. Тонкий слой молекул хромофора, который используется в
описанной модели, пока еще не обеспечивает высокой эффективности
поглощения света. Идея утолщения светочувствительного покрытия с
помощью наслоения нескольких молекул, а также разработка механизмов
концентрации света активно прорабатывается учеными для решения этой
задачи.
Мария Костюкова |
