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