Бесцветные чернила и другие чудеса нанотехнологий — на обычном принтере.
Голограмма на обычном принтере? Легко!
Принтер-«универсал» позволяет распечатывать даже голограммы. Такую технологию уже освоили в лаборатории, и в ближайшее время она может найти применение на производстве, заменяя сложное и дорогое оборудование, которое используется сегодня.

Каждый художник обязан знать, как смешать цвета. Эти принципы осваивали еще мастера палеолита, они сохранились и в современных типографиях. Совершенно новый подход к цветам нашелся только недавно, и чернила для любых оттенков в нем используются одинаковые — бесцветные. Фото

Шаг 1. От смешения к сложению

Окраску зеленого листа или багрово-желтые цвета осеннего леса создают те же красящие пигменты. Но взгляните под ноги: лужа на асфальте подскажет абсолютно другой способ добиться красочных тонов. Тонкая бензиновая пленка на ней переливается всеми цветами радуги, хотя и бензин, и вода — вещества сами по себе прозрачные, неокрашенные. Неполярный бензин крайне плохо смешивается с водой, разбегаясь по ее поверхности пленкой минимальной толщины. Свет, падая на нее, частью отражается, а частью проходит дальше, отражаясь внутренней стороной бензиновой пленки. Две отраженные волны складываются. Если их максимумы совпадут, они усилятся, а если на максимум одной придется минимум другой — ослабят друг друга и пропадут.

Такое сложение световых волн называется интерференцией. Она окрашивает радугой и бензиновую пленку на луже, и круглый бок мыльного пузыря. В зависимости от толщины в каждом участке интерференция проявляет свет определенной длины видимого диапазона, от коротких (0,4 мкм) фиолетовых до длинных красных (0,75 мкм). Окрашенные зеленым (0,5 мкм) участки тоньше красных ровно на 0,25 мкм — или величину, кратную этой цифре. Фото

«Из неорганических веществ подходящими свойствами обладает кристаллический диоксид титана, — рассказали нам Александр и Владимир Виноградовы, руководящие лабораторией растворной химии передовых материалов и технологий петербургского Университета ИТМО. — Нужно только приготовить взвесь таких наночастиц и научиться наносить их достаточно тонкими слоями, точно контролируя их толщину. Тогда в отраженном свете интерференционная картинка будет выглядеть цветной, хотя сами чернила, коллоидный раствор диоксида титана, — бесцветные».

Шаг 2. Ода принтеру

Контролировать толщину слоев с такой точностью можно и лазерной гравировкой, и сложными методами напыления — все они требуют использования невероятно сложной техники и могут работать лишь с небольшими по размеру образцами. «Оказавшись в командировке в Канаде, мы заметили, что даже самые обеспеченные нанолаборатории активно пользуются обычными офисными струйными принтерами с пьезоэлектрической головкой, — братья-близнецы Виноградовы действительно похожи, как две капли наночернил, и даже говорят о себе во множественном числе. — Некоторые модели принтеров очень неприхотливы и легко переносят эксперименты с раствором, который залит им в картриджи».

Конечно, дешевый принтер, который не жалко и погубить, не может контролировать нанесение капель с большой точностью. Но для наночернил этого и не требуется. «Мы не инженеры и не конструируем принтеры, — поясняют братья Виноградовы. — Мы химики, и наша задача — найти такой состав чернил, чтобы каждая капля, высыхая, создавала ровный отражающий слой заранее определенной толщины». Добиться этого удалось, подобрав добавки, изменившие параметры вязкости и поверхностного натяжения раствора. В итоге толщина слоев, остающихся на подложке, задается не столько принтером, сколько свойствами самих чернил. В несколько проходов дешевый струйный аппарат создает нанотехнологичный продукт: цветную картинку, распечатанную бесцветными чернилами. Один слой «проявляет» фиолетовые тона коротких длин волн, два слоя — более длинноволновые. Фото

В нанотехнологиях струйный принтер оказался почти таким же популярным инструментом, как телескоп — в астрофизике. Пьезоэлектрическая головка разбрызгивает капли без предварительного нагревания и не разрушает даже чувствительные к температуре биомолекулы в растворе, который используется вместо чернил. «Мы можем добавить даже белки — и они не денатурируют, сохранят и форму, и активность, — объясняют Виноградовы. — Собственно, с этого все и началось, с проекта по струйной печати биосенсоров нового поколения».

Достаточно нанести на бумажку каплю наночернил, содержащих наночастицы оксида алюминия, цветной индикатор и белки, способные связывать нужный биологический агент. Когда жидкость высохнет, на подложке останется керамический матрикс, заполненный белками и красителями, — готовый индикатор, за несколько секунд и с высокой чувствительностью обнаруживающий целевые молекулы. По образцу слюны можно находить раковые клетки, определять бактерии или частицы вирусов, следы наркотиков — все, что до сих пор требует применения сложного оборудования. В лаборатории Виноградовых нам показали рабочие прототипы тест-полосок для контроля уровня глюкозы — задачи, для которой некоторым больным диабетом приходится регулярно прибегать к довольно неприятным уколам для забора крови. Бесцветные чернила могут передать все основные цвета. Главное — контролировать толщину остающихся на подложке слоев.

Шаг 3. Гаражные нанотехнологии

Остроумные находки привлекают и инвесторов, и производителей, готовых оплачивать лицензии на применение таких решений в своей продукции. Лаборатория братьев Виноградовых получает немалые гранты и обставляется новой сложной техникой для детального изучения наноструктур. Однако сами принципы потребовали лишь новых идей и понимания физико-химических законов, а первые демонстрации их применения проделаны на самом простом оборудовании.

«По большому счету все это доступно каждому, — продолжают они. — Диоксид титана можно купить в магазине, принтер найти даже списанный, а белковые препараты или что вы еще придумаете добавлять в свои «наночернила» — заказать у производителей». Действительно: нанотехнологии не так далеки от народа, как может показаться со стороны. Как некогда «гаражные» компании 1980-х выросли в нынешних IT-гигантов Apple, Microsoft или Google, так и революционные биотехнологии и нанотехнологии завтрашнего дня вполне могут рождаться сегодня небольшими группами энтузиастов и специалистов. Распечатки не тускнеют со временем Отпечатанные бесцветными чернилами цветные картинки удаётся сделать ещё ярче, покрыв их дополнительным слоем, который уменьшает количество отражённого поверхностью света.

«Пока для нашей лаборатории это основные направления работы, — резюмируют братья Виноградовы. — Но совершенно точно, что этим дело не закончится. Работая с растворами наночастиц и со струйной печатью, можно получить… даже трудно сказать… сходу просто глаза разбегаются. Надо будет устроить еще один «мозговой штурм»».

Статья «Джинн из принтера» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2016).