Лаборатория лазерной наноинженерии

• Создан уникальный комплекс по фемтосекундной лазерной микростереолитографии многоуровневых структур из полимер-композитных материалов; показано, что биорезорбируемые скаффолды, созданные на основе хитозана методом фемтосекундной лазерной микростереолитографии, обладают высокой биосовместимостью в клетках головного мозга и низкой иммуногенностью, что делает перспективными эти материалы для реконструктивной хирургии.
• Реализован новый способ формирования матричных структур из алифатических полиэфиров методом трехмерной экструзионной печати, позволяющий формировать не обладающие цитотоксичностью трехмерные матриксы заданной формы, размеров и структуры на основе трехмерных компьютерных моделей для инженерии мягких и твердых тканей.
• Показаны перспективы применения апконвертирующих наночастиц для высококонтрастной фотолюминесцентной визуализации злокачественных опухолей; на модели эпидермоидной карциномы легкого Льюиса, перевитой мышам, продемонстрирована прижизненная доставка апконвертирующих наночастиц в опухоль.
• Разработан метод создания новых композитных материалов для терагерцового (ТГц) диапазона частот с управляемым показателем преломления за счет введения в полимер-термопласт нано- и микрочастиц кремния; изготовлены микроструктурные световедущие волокна для ТГц-диапазона частот.
• Разработан новый перспективный дизайн фотонно-кристаллических и фотонно-плазмонных волноводов для различных приборов и интегрально-оптических устройств с ТГц-частотой передачи данных.
• Разработаны и созданы чернила на основе апконвертирующих наночастиц для быстрого нанесения меток антиконтрафактной защиты с применением cтандартных печатающих устройств. Методом струйной печати на бумаге выполнена скрытая маркировка, невидимая при естественном освещении.
• Разработана оригинальная технология лазерной инженерии микробиологических систем (ЛИМС) и программно-аппаратные комплексы для выделения и пространственного переноса отдельных бактерий, клеток и их агрегатов с помощью импульсов давления, создаваемых наносекундным лазерным излучением. Она позволяет реализовать высокоэффективную трехмерную печать живыми микробиологическими объектами, выделять бактерии, трудно культивируемые или некультивируемые стандартными способами. Разработан протокол проведения культивации микроорганизмов на питательных средах с целью достижения их пространственного разделения при минимальном разрушении микроагрегатов, что позволяет устранить ряд причин некультивируемости.
• Разработан метод термоплазмонного лазерного жидкостного травления (ТПЛЖТ) для эффективного и хорошо контролируемого микроструктурирования сапфира. Предложен механизм ТПЛЖТ, определены скорости травления, достигающие 100 нм/импульс и выше.

• Обнаружен новый эффект нанотектонического сжатия в фазоизменяемых материалах (ФИМ), ранее неизвестный для халькогенидных, оксидных и галогенидных материалов и состоящий в кристаллизации металлической фазы высокого давления (4-8 ГПа) в аморфной матрице ФИМ. Этот эффект позволяет значительно увеличить оптический и электрический контраст между состояниями SET и RESET, снизить энергозатраты на многоуровневую запись информации и разработать новые ФИМ для нейроморфных оптических систем и энергонезависимой памяти.

• Разработан новый метод синтеза ФИМ, используя низкотемпературную сублимацию; получены новые перспективные ФИМ для применения (1) в более широком спектральном диапазоне от среднего ИК до видимой области спектра, и (2) для высокотемпературных применений на основе сульфидов и теллуридов галлия. Впервые получен объемный стеклообразный GeTe₂, как исходный материал для ФИМ следующего поколения с быстрой локальной диффузией.

• Продемонстрирована возможность создания синапса терагерцового (ТГц) диапазона на основе сопряженного с волноводом кольцевого резонатора с высокой добротностью. Возможность изменения параметров передаточной функции ТГц синапса позволит использовать его для реализации сенсорных функций в интегрированных нейроморфных системах сбора и обработки информации.

• Разработан и создан ряд установок для трехмерной лазерной печати микрокаплями геля, содержащего живые микробные и клеточные объекты методом прямого лазероиндуцированного переноса. Системы предназначены для культивации труднокультивируемых и некультивируемых микроорганизмов, разделения сложных микробных ассоциаций, создания микробиологических микрочипов для решения конкретных задач, а также создания гибридных биосистем на основе комбинаций микробных клеток с клетками животных и растений. В настоящее время система внедряется в практическую работу группами микробиологов. Также одна из установок адаптируется для печати живыми клетками и клеточными сфероидами для решения задач в области регенеративной медицины.

• Системы лазерной печати гелевыми каплями с клеточными и микробными объектами размещены и используются в совместных работах с Институтом микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН, факультетом почвоведения МГУ, Институтом регенеративной медицины Первого МГМУ имени И. М. Сеченова.

• Разработана и создана установка для формирования послойного спекания порошков методом поверхностно-селективного лазерного спекания биосовместимых порошковых материалов с использованием воды в качестве фотосенсибилизатора. Установка позволяет формировать трехмерные скаффолды для задач регенеративной медицины из коммерчески доступных и сертифицированных для медицинских применений биодергадируемых материалов по заданным трехмерным моделям. В настоящий момент изготваливаются мелкосерийные партии скаффолдов для научных исследований.

• Разработана и создана система лазерного микроструктурирования твердых оптических материалов (лейкосапфир) методом импульсного лазерного травления в жидкости. Разработана технология формирования микроструктурированных подложек из лейкосапфира для задач клеточной дифференцировки и направленного роста клеток. В настоящий момент технология адаптируется под задачу формирования микрофлюидных систем на основе сапфировых стекол.

• Отрабатывается технология НФОЛ (нелинейная фемтосекундная оптическая литография) для решения конкретных задач в области создания высокоэффективной доступной технологии формирования матричных сверхпроводниковых однофотонных детекторов, а также микро оптических компонентов для их сопряжения с волоконно-оптическими системами.

• Отрабатывается технология формирования трехмерных объектов из термостабильных (до 400^оС) гетероцепных полимеров методом проекционной литографии. Готовые изделия могут найти практическое применение в промышленности.

• Отрабатывается совокупность аддитивных лазерных технологий формирования скаффолдов для решения задач в области регенеративной медицины. Разработанные технологии и результат их реализации на практике в виде полнофункциональных прототипов позволят создавать широкий спектр готовых изделий из биосовместимых и биорезорбируемых материалов, крайне востребованных в биомедицине.

Образование и переподготовка кадров:

• Организованы стажировки на базе Лаборатории для 13 аспирантов и молодых ученых химического факультета МГУ, Института технологий имени М. В. Ломоносова, Института регенеративной медицины Первого МГМУ имени И. М. Сеченова.

• Защиты: 3 докторские диссертации, 5 кандидатских диссертаций.

• Разработаны и внедрены 2 курса лекций: программа учебной дисциплины «Химия и физика сверхкритических флюидных сред» для обучающихся по основной образовательной программе подготовки магистров 511630 «Химическая физика процессов в экстремальных условиях» на химическом факультете МГУ; программа учебной дисциплины М.2.2.1 «Лазерные биомедицинские технологии» для обучающихся по основной образовательной программе подготовки магистров 200500.68 «Лазерная техника и лазерные технологии» (магистерская программа «Лазерные биомедицинские технологии») в Волгоградском государственном университете.

• Организована международная конференция «Материалы для нейроморфных систем».

•  Подготовлены две новые образовательные программы «Функциональные материалы фотоники» и «Методы формирования и модификации тонких пленок», которые реализуются при подготовке научно-педагогических кадров в аспирантуре ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Комплекс диагностического оборудования, а также система фемтосекундной микростереолитографии доступна для использования в рамках Центра коллективного пользования ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН.

На базе лаборатории построен инфраструктурный комплекс чистых помещений, оборудованных автономной системой приточно-вытяжной вентиляции с контролем температуры и скорости воздухообмена. Создан уникальный лазерно-измерительный комплекс на базе перестраиваемой фемтосекундной лазерной системы Astrella и оптического параметрического усилителя Topas, с многоканальной системой регистрации от УФ до среднего ИК диапазона.

Установлено программное обеспечение и отлажена эффективная платформа моделирования из первых принципов на вычислительной базе ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, позволяющая использовать молекулярную динамику как со стандартными, так и гибридными функционалами; молодые сотрудники лаборатории обучены использованию моделирования из первых принципов.

Сотрудничество:

• Лазерный центр г. Ганновера (Германия): совместные исследования, стажировки сотрудников, развитие научно-исследовательской базы Лаборатории, совместные публикации

• Университет Галвэй (Ирландия), Нижегородская государственная медицинская академия (Россия): совместные исследования, совместные публикации

• Институт регенеративной медицины МГМУ имени И. М. Сеченова (Россия), химический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова (Россия): совместные исследовании, стажировки сотрудников, совместные публикации

• Структурные исследования новых ФИМ проводятся в сотрудничестве с ведущими научными центрами и на установках класса ‘’Мегасайенс’’ (синхротроны 3-го поколения и импульсные нейтронные источники): Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Chicago, USA; Super Photon Ring - 8 (SPring-8), Hyogo prefecture, Japan; Diamond Light Source, Oxforshire, UK; ISIS neutron facility, Rutherford Appleton Laboratory, Oxfordshire, UK; Spallation Neutron Source, Oak Ridge National Laboratory, USA; Institute Laue Langevin, Grenoble, France; National Institute of Materials Science, Tokyo, Japan; University of Yamagata, Japan; Université Rennes II, France; Université du Littoral, France.