Безбарвні чорнило та інші чудеса нанотехнологій - на звичайному принтері.
Кожен художник зобов'язаний знати, як змішати кольору. Ці принципи освоювали ще майстри палеоліту, вони збереглися і в сучасних друкарнях. Абсолютно новий підхід до квітів знайшовся тільки недавно, і чорнило для будь-яких відтінків в ньому використовуються однакові - безбарвні.
Крок 1. Від змішання до складання
Забарвлення зеленого листа або багряно-жовті кольори осіннього лісу створюють ті ж фарбувальні пігменти. Але погляньте під ноги: калюжа на асфальті підкаже абсолютно інший спосіб домогтися барвистих тонів. Тонка бензинова плівка на ній переливається всіма кольорами веселки, хоча і бензин, і вода - речовини самі по собі прозорі, незабарвлені. Неполярний бензин вкрай погано змішується з водою, розбігаючись по її поверхні плівкою мінімальної товщини. Світло, падаючи на неї, частиною відбивається, а частиною проходить далі, відбиваючись внутрішньою стороною бензинової плівки. Дві відбиті хвилі складаються. Якщо їх максимуми співпадуть, вони посиляться, а якщо на максимум однієї доведеться мінімум інший - послаблять один одного і пропадуть.
Таке складання світлових хвиль називається інтерференцією. Вона забарвлює веселкою і бензинову плівку на калюжі, і круглий бік мильної бульбашки. Залежно від товщини в кожній ділянці інтерференція проявляє світло певної довжини видимого діапазону, від коротких (0,4 мкм) фіолетових до довгих червоних (0,75 мкм). Пофарбовані зеленим (0,5 мкм) ділянки тонше червоних рівно на 0,25 мкм - або величину, кратну цій цифрі.
Для роздруківки біосенсорів нового покоління підійде самий звичайний «домашній» струменевий принтер. Досить правильно вибрати «чорнило».
«З неорганічних речовин відповідними властивостями володіє кристалічний діоксид титану, - розповіли нам Олександр і Володимир Віноградови, керівні лабораторією розчинної хімії передових матеріалів та технологій петербурзького Університету ИТМО. - Потрібно тільки приготувати суспензію таких наночастинок і навчитися наносити їх досить тонкими шарами, точно контролюючи їх товщину. Тоді в відбитому світлі інтерференційна картинка буде виглядати кольоровий, хоча самі чорнило, колоїдний розчин діоксиду титану, - безбарвні ».
Крок 2. Ода принтеру
Контролювати товщину шарів з такою точністю можна і лазерним гравіюванням, і складними методами напилення - всі вони вимагають використання неймовірно складної техніки і можуть працювати лише з невеликими за розміром зразками. «Опинившись у відрядженні в Канаді, ми помітили, що навіть самі забезпечені нанолабораторіі активно користуються звичайними офісними струминними принтерами з п'єзоелектричної головкою, - брати-близнюки Віноградови дійсно схожі, як дві краплі наночорнил, і навіть говорять про себе у множині. - Деякі моделі принтерів дуже невибагливі і легко переносять експерименти з розчином, який залитий їм в картриджі ».
Звичайно, дешевий принтер, який не шкода і погубити, не може контролювати нанесення крапель з великою точністю. Але для наночорнил цього і не потрібно. «Ми не інженери і не конструюємо принтери, - пояснюють брати Віноградови. - Ми хіміки, і наше завдання - знайти такий склад чорнил, щоб кожна крапля, висихаючи, створювала рівний шар, що відображає заздалегідь певної товщини ». Домогтися цього вдалося, підібравши добавки, що змінили параметри в'язкості і поверхневого натягу розчину. В результаті товщина шарів, що залишаються на підкладці, задається не стільки принтером, скільки властивостями самих чорнила. У кілька проходів дешевий струменевий апарат створює нанотехнологічних продукт: кольорову картинку, роздруковану безбарвними чорнилом. Один шар «проявляє» фіолетові тони коротких довжин хвиль, два шари - більш довгохвильові.
В нанотехнологіях струменевий принтер виявився майже таким же популярним інструментом, як телескоп - в астрофізиці. П'єзоелектрична головка розбризкує краплі без попереднього нагрівання і не руйнує навіть чутливі до температури біомолекули в розчині, який використовується замість чорнила. «Ми можемо додати навіть білки - і вони не денатурують, збережуть і форму, і активність, - пояснюють Віноградови. - Власне, з цього все і почалося, з проекту по струминного друку біосенсорів нового покоління ».
Досить нанести на папірець краплю наночорнил, що містять наночастинки оксиду алюмінію, кольоровий індикатор і білки, здатні зв'язувати потрібний біологічний агент. Коли рідина висохне, на підкладці залишиться керамічний матрикс, заповнений білками і барвниками, - готовий індикатор, за кілька секунд і з високою чутливістю виявляє цільові молекули. За зразком слини можна знаходити ракові клітини, визначати бактерії або частинки вірусів, сліди наркотиків - все, що до сих пір вимагає застосування складного обладнання. У лабораторії Виноградових нам показали робочі прототипи тест-смужок для контролю рівня глюкози - завдання, для якої деяким хворим на діабет доводиться регулярно вдаватися до досить неприємним уколів для забору крові.
Безбарвні чорнило можуть передати всі основні кольори. Головне - контролювати товщину залишаються на підкладці шарів.
Крок 3. Гаражні нанотехнології
Дотепні знахідки приваблюють і інвесторів, і виробників, готових оплачувати ліцензії на застосування таких рішень у своїй продукції. Лабораторія братів Виноградових отримує чималі гранти і обставляється нової складною технікою для детального вивчення наноструктур. Однак самі принципи зажадали лише нових ідей і розуміння фізико-хімічних законів, а перші демонстрації їх застосування пророблені на найпростішому обладнанні.
«За великим рахунком все це доступно кожному, - продовжують вони. - Діоксид титану можна купити в магазині, принтер знайти навіть списаний, а білкові препарати або що ви ще придумаєте додавати в свої «наночорнил» - замовити у виробників ». Дійсно: нанотехнології не так далекі від народу, як може здатися з боку. Як колись «гаражні» компанії 1980-х виросли в нинішніх IT-гігантів Apple, Microsoft або Google, так і революційні біотехнології та нанотехнології завтрашнього дня цілком можуть народжуватися сьогодні невеликими групами ентузіастів і фахівців.
Роздруківки не тьмяніють з часом. Надруковані безбарвними чорнилом кольорові картинки вдається зробити ще яскравіше, покривши їх додатковим шаром, який зменшує кількість відбитого поверхнею світла.
«Поки для нашої лабораторії це основні напрямки роботи, - резюмують брати Віноградови. - Але абсолютно точно, що цим справа не закінчиться. Працюючи з розчинами наночастинок і з струменевим друком, можна отримати ... навіть важко сказати ... відразу просто очі розбігаються. Треба буде влаштувати ще один «мозковий штурм» ».
Стаття «Джин із принтера» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2016 ).
