Bedre biomedicinsk udstyr, bærbare skærme kan skyldes små lysstyrende strukturer

For første gang, forskere har fremstillet lysstyrende strukturer kendt som bølgeledere lidt over en mikron bred i en klar silikone, der almindeligvis bruges til biomedicinske applikationer. Den lille, fleksible bølgeledere kan bruges til at lave lysbaserede enheder såsom biomedicinske sensorer og endoskoper, der er mindre og mere komplekse end i øjeblikket muligt.

"Så vidt vi ved, disse er de mindste optiske bølgeledere, der nogensinde er skabt i polydimethylsiloxan, eller PDMS, "sagde forskerholdsmedlem Ye Pu fra École Fédérale de Lausanne i Schweiz." Vores fleksible bølgeledere kan integreres i mikrofluidiske lab-on-a-chip-systemer for at fjerne omfangsrig ekstern optik, der er nødvendig for at udføre blodprøver, for eksempel. De kan også levere lys til bærbare enheder, såsom en skjorte med et display. "

Som rapporteret i journalen Express optiske materialer , de nye optiske bølgeledere er ikke kun tyndere end et stykke støv, de udviser også meget lavt lystab, når de bruges med visse bølgelængder af lys. Et lysbaseret signal kan rejse gennem de nye bølgeledere i 10 centimeter eller mere, før en uacceptabel nedbrydning af signalet vil forekomme.

Oprettelse af strukturer med lys

Forskerne lavede de nye bølgeledere ved at optimere laser direkte skrivning, en mikrofabrikationstilgang, der skaber detaljerede 3D-strukturer ved at polymerisere et lysfølsomt kemikalie med en præcist placeret fokuseret laser. Polymerisering omdanner relativt små molekyler kaldet monomerer til store, kædelignende polymerer.

Den nye tilgang kræver ikke en fotoinitiator, som typisk bruges til effektivt at absorbere laserlyset og omdanne det til kemisk energi, der initierer polymerisation. "Ved ikke at bruge en fotoinitiator, vi forenklede fremstillingsprocessen og forbedrede også den endelige enheds kompatibilitet med levende væv, "Sagde Pu." Denne forbedrede biokompatibilitet kunne gøre det muligt at anvende metoden til fremstilling af implanterbare sensorer og enheder. "

De nye fleksible bølgeledere kan også tjene som byggesten til fotoniske printkort, der bruger optiske højhastigheds-signaler frem for elektriske forbindelser til at overføre data i computere og andre elektroniske enheder.

Begrænsning af lyset

For at opnå en lille optisk bølgeleder, der effektivt begrænser lys, der må være en stor forskel mellem brydningsindekset for det materiale, der udgør bølgelederne og det omgivende PDMS. Forskerne brugte phenylacetylen til bølgeledere, fordi, sammenlignet med traditionelt anvendte materialer, den har et højere brydningsindeks, når den først er polymeriseret. Som en ekstra fordel, det kan også let indlæses i PDMS ved blot at lægge PDMS i blød i flydende phenylacetylen.

Efter iblødsætning af PDMS i phenylacetylen, forskerne brugte fokuserede ultrahurtige laserpulser til at fremkalde et optisk fænomen kendt som multiphotonabsorption, hvor flere fotoner absorberes på én gang. Multiphoton laser direkte skrivning producerer meget finere strukturer end one-foton processer, fordi mængden af ​​polymerisering ved hvert skrivepunkt er meget mindre. Ved hjælp af multiphoton laser direkte skrivning tillod forskerne også direkte at starte phenylacetylenpolymerisation uden en fotoinitiator. De inddampede derefter ethvert upolymeriseret phenylacetylen ved opvarmning af PDMS.

Forskerne viste, at denne nye tilgang kunne lave fleksible bølgeledere i PDMS, der kun er 1,3 mikrometer brede. For det spektrale bånd på 650 til 700 nanometer, kun 0,07 procent af lyset, der transmitteres gennem bølgelederne, går tabt hver centimeter. Optimering af opsætningen ville sandsynligvis tillade fremstilling af bølgeledere, der er mindre end 1 mikron, ifølge forskerne.

Et fleksibelt endoskop

Forskerne arbejder nu på at forbedre udbyttet af fremstillingsprocessen ved at udvikle et kontrolsystem, der hjælper med at undgå materielle skader under laserskrivning. De planlægger også at oprette en række smalle bølgeledere i PDMS, der kan bruges til at konstruere et meget fleksibelt endoskop med en diameter på mindre end en millimeter.

"Sådan en lille, mekanisk fleksibelt endoskop ville gøre det muligt at afbilde en række svært tilgængelige steder i kroppen til diagnose i klinikken, eller til overvågning ved en minimalt invasiv operation, "sagde Pu.