Per la prima volta, i ricercatori hanno fabbricato strutture di guida della luce note come guide d'onda larghe poco più di un micron in un silicone trasparente comunemente usato per applicazioni biomediche. Il piccolo, guide d'onda flessibili possono essere utilizzate per realizzare dispositivi basati sulla luce come sensori biomedici ed endoscopi più piccoli e complessi di quanto attualmente possibile.

"Al meglio delle nostre conoscenze, queste sono le più piccole guide d'onda ottiche mai create in polidimetilsilossano, o PDMS, " ha affermato il membro del team di ricerca Ye Pu dell'École Fédérale de Lausanne in Svizzera. "Le nostre guide d'onda flessibili potrebbero essere integrate in sistemi microfluidici lab-on-a-chip per eliminare ingombranti ottiche esterne necessarie per eseguire esami del sangue, Per esempio. Potrebbero anche fornire luce per dispositivi indossabili come una maglietta con un display".

Come riportato sulla rivista Materiali ottici Express , le nuove guide d'onda ottiche non sono solo più sottili di un pezzo di polvere, mostrano anche una perdita di luce molto bassa quando vengono utilizzati con determinate lunghezze d'onda della luce. Un segnale basato sulla luce può viaggiare attraverso le nuove guide d'onda per 10 centimetri o più prima che si verifichi una degradazione inaccettabile del segnale.

Creare strutture con la luce

I ricercatori hanno realizzato le nuove guide d'onda ottimizzando la scrittura diretta laser, un approccio di microfabbricazione che crea strutture 3D dettagliate polimerizzando una sostanza chimica sensibile alla luce con un laser focalizzato posizionato con precisione. La polimerizzazione converte molecole relativamente piccole chiamate monomeri in grandi, polimeri a catena.

Il nuovo approccio non richiede un fotoiniziatore, che viene tipicamente utilizzato per assorbire in modo efficiente la luce laser e convertirla in energia chimica che avvia la polimerizzazione. "Non usando un fotoiniziatore, abbiamo semplificato il processo di fabbricazione e migliorato anche la compatibilità del dispositivo finale con il tessuto vivente, "Pu ha detto. "Questa biocompatibilità migliorata potrebbe consentire l'utilizzo dell'approccio per realizzare sensori e dispositivi impiantabili".

Le nuove guide d'onda flessibili potrebbero anche fungere da elementi costitutivi per circuiti stampati fotonici che utilizzano segnali ottici ad alta velocità anziché collegamenti elettrici per trasmettere dati in computer e altri dispositivi elettronici.

Confinare la luce

Per ottenere una piccola guida d'onda ottica che confina efficacemente la luce, ci deve essere una grande differenza tra l'indice di rifrazione del materiale che costituisce le guide d'onda e il PDMS circostante. I ricercatori hanno usato fenilacetilene per le guide d'onda perché, rispetto ai materiali tradizionalmente utilizzati, ha un indice di rifrazione più elevato una volta polimerizzato. Come ulteriore vantaggio, può anche essere facilmente caricato in PDMS semplicemente immergendo il PDMS in fenilacetilene liquido.

Dopo aver immerso il PDMS in fenilacetilene, i ricercatori hanno utilizzato impulsi laser ultraveloci focalizzati per indurre un fenomeno ottico noto come assorbimento multifotonico in cui più fotoni vengono assorbiti contemporaneamente. La scrittura diretta laser multifotone produce strutture molto più fini rispetto ai processi a un fotone perché il volume di polimerizzazione in ogni punto di scrittura è molto più piccolo. L'utilizzo della scrittura diretta laser multifotone ha inoltre consentito ai ricercatori di avviare direttamente la polimerizzazione del fenilacetilene senza un fotoiniziatore. Hanno quindi evaporato qualsiasi fenilacetilene non polimerizzato riscaldando il PDMS.

I ricercatori hanno dimostrato che questo nuovo approccio potrebbe creare guide d'onda flessibili in PDMS larghe solo 1,3 micron. Per la banda spettrale da 650 a 700 nanometri, solo lo 0,07 percento della luce trasmessa attraverso le guide d'onda viene perso ogni centimetro. L'ottimizzazione della configurazione consentirebbe probabilmente la fabbricazione di guide d'onda inferiori a 1 micron, secondo i ricercatori.

Un endoscopio flessibile

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la resa del processo di fabbricazione sviluppando un sistema di controllo che aiuterebbe a evitare danni materiali durante la scrittura laser. Hanno anche in programma di creare una serie di guide d'onda strette in PDMS che potrebbero essere utilizzate per costruire un endoscopio molto flessibile con un diametro inferiore a un millimetro.

"Così piccolo, l'endoscopio meccanicamente flessibile consentirebbe di visualizzare un numero di punti difficili da raggiungere nel corpo per la diagnosi in clinica, o per il monitoraggio in una chirurgia mininvasiva, " disse Pu.