О каких возможностях принтера вы не знали
Каждый художник обязан знать, как смешать цвета. Эти принципы осваивали ещё мастера палеолита, они сохранились и в современных типографиях. Совершенно новый подход к цветам нашёлся только недавно, и чернила для любых оттенков в нем используются одинаковые — бесцветные.
Шаг 1. От смешения к сложению
Окраску зелёного листа или багрово-жёлтые цвета осеннего леса создают те же красящие пигменты. Но взгляните под ноги: лужа на асфальте подскажет абсолютно другой способ добиться красочных тонов. Тонкая бензиновая плёнка 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 её поверхности плёнкой минимальной толщины. Свет, падая на неё, частью отражается, а частью проходит дальше, отражаясь внутренней стороной бензиновой плёнки. Две отражённые волны складываются. Если их максимумы совпадут, они усилятся, а если на максимум одной придётся минимум другой — ослабят друг друга и пропадут.
Такое сложение световых волн называется интерференцией. Она окрашивает радугой и бензиновую плёнку на луже, и круглый бок мыльного пузыря. В зависимости от толщины в каждом участке интерференция проявляет свет определённой длины видимого диапазона, от коротких (0,4 мкм) фиолетовых до длинных красных (0,75 мкм). Окрашенные зелёным (0,5 мкм) участки тоньше красных ровно на 0,25 мкм — или величину, кратную этой цифре.
«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 слоёв 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, дешёвый 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 определённой толщины». Добиться этого удалось, подобрав добавки, изменившие параметры вязкости и поверхностного натяжения раствора. В итоге толщина слоёв, остающихся на подложке, задаётся не столько принтером, сколько свойствами самих чернил. В несколько проходов дешёвый струйный аппарат создаёт нанотехнологичный продукт: цветную картинку, распечатанную бесцветными чернилами. Один слой «проявляет» фиолетовые тона коротких длин волн, два слоя — более длинноволновые.
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.
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 ещё 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.
«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 ещё один "мозговой штурм"".