För första gången, forskare har tillverkat ljusledande strukturer som kallas vågledare som är drygt en mikrometer breda i en klar silikon som vanligtvis används för biomedicinska tillämpningar. Den lilla, flexibla vågledare kan användas för att göra ljusbaserade enheter som biomedicinska sensorer och endoskop som är mindre och mer komplexa än vad som för närvarande är möjligt.

"Som vi förstår det, dessa är de minsta optiska vågledare som någonsin skapats i polydimetylsiloxan, eller PDMS, "sa forskargruppmedlemmen Ye Pu från École Fédérale de Lausanne i Schweiz." Våra flexibla vågledare kan integreras i mikrofluidiska lab-on-a-chip-system för att eliminera skrymmande extern optik som behövs för att utföra blodprov, till exempel. De kan också leverera ljus för bärbara enheter, till exempel en skjorta med display. "

Som rapporterats i tidningen Expressmaterial Express , de nya optiska vågledarna är inte bara tunnare än en dammbit, de uppvisar också mycket låg ljusförlust när de används med vissa våglängder av ljus. En ljusbaserad signal kan färdas genom de nya vågledarna i 10 centimeter eller mer innan en oacceptabel nedbrytning av signalen kommer att inträffa.

Skapa strukturer med ljus

Forskarna gjorde de nya vågledarna genom att optimera laserdirektskrivning, en mikrofabriceringsmetod som skapar detaljerade 3D-strukturer genom att polymerisera en ljuskänslig kemikalie med en exakt placerad fokuserad laser. Polymerisering omvandlar relativt små molekyler som kallas monomerer till stora, kedjeliknande polymerer.

Det nya tillvägagångssättet kräver ingen fotoinitiator, som vanligtvis används för att effektivt absorbera laserljuset och omvandla det till kemisk energi som initierar polymerisation. "Genom att inte använda en fotoinitiator, vi förenklade tillverkningsprocessen och förbättrade också den slutliga enhetens kompatibilitet med levande vävnad, "Sade Pu." Denna förbättrade biokompatibilitet kan göra att metoden kan användas för att göra implanterbara sensorer och enheter. "

De nya flexibla vågledarna kan också fungera som byggstenar för fotoniska kretskort som använder optiska höghastighetssignaler snarare än elektriska länkar för att överföra data i datorer och andra elektroniska enheter.

Begränsar ljuset

För att uppnå en liten optisk vågledare som effektivt begränsar ljus, det måste finnas en stor skillnad mellan brytningsindexet för materialet som utgör vågledarna och det omgivande PDMS. Forskarna använde fenylacetylen för vågledarna eftersom, jämfört med traditionellt använda material, den har ett högre brytningsindex när den har polymeriserats. Som en extra fördel, det kan också enkelt laddas i PDMS genom att helt enkelt blötlägga PDMS i flytande fenylacetylen.

Efter blötläggning av PDMS i fenylacetylen, forskarna använde fokuserade ultrasnabba laserpulser för att framkalla ett optiskt fenomen som kallas multiphotonabsorption där flera fotoner absorberas samtidigt. Multiphoton laser direktskrivning ger mycket finare strukturer än en-fotonprocesser eftersom polymerisationsvolymen vid varje skrivplats är mycket mindre. Genom att använda multiphoton laser -direktskrivning tillät också forskarna att direkt initiera fenylacetylenpolymerisation utan fotoinitiator. De indunstade sedan all opolymeriserad fenylacetylen genom att värma PDMS.

Forskarna visade att detta nya tillvägagångssätt kunde göra flexibla vågledare i PDMS som bara är 1,3 mikron breda. För spektralbandet 650 till 700 nanometer, bara 0,07 procent av ljuset som överförs genom vågledarna försvinner varje centimeter. Att optimera installationen skulle sannolikt möjliggöra tillverkning av vågledare som är mindre än 1 mikron, enligt forskarna.

Ett flexibelt endoskop

Forskarna arbetar nu med att förbättra framställningen av tillverkningsprocessen genom att utveckla ett kontrollsystem som skulle hjälpa till att undvika materiella skador under laserskrivning. De planerar också att skapa en rad smala vågledare i PDMS som kan användas för att konstruera ett mycket flexibelt endoskop med en diameter på mindre än en millimeter.

"Så liten, mekaniskt flexibelt endoskop skulle göra det möjligt att avbilda ett antal svåråtkomliga ställen i kroppen för diagnos på kliniken, eller för övervakning vid en minimalinvasiv operation, "sa Pu.