КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 16-19-10346

НазваниеРазработка струйной печати оптических наноструктур

РуководительВиноградов Александр Валентинович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г.  , продлен на 2019 - 2020. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые словаструйная печать, золь-гель, планарный волновод, наноконструкция, гетероструктура

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оптические наноструктуры, предназначенные для управления светом, имеют высокую практическую и фундаментальную значимость. Исследования взаимодействия электромагнитного излучения с низкоразмерными полупроводниковыми и диэлектрическими средами предполагают протекание многофакторных процессов, которые в совокупности определяют возможность управления оптическими эффектами. Разработка новых методов и подходов, позволяющих контролировать структурообразование в наноразмерных конструкциях, является не только ценной научной информацией, предполагающей открытие механизмов морфологического управления оптическими эффектами в гетероструктурах, но и приближает нас к созданию новых фотонных устройств и материалов. В частности в данном проекте планируется освоение методов печати планарных волноводов, трафаретной печати фотон-индуцированных панелей и разработка высококонтрастной интерференционной печати на основе прозрачных гетероструктур TiO2/AlOOH. Однако получение диэлектрических и полупроводниковых сред для распространения световой волны предполагает наличие множества ограничений (высокая фазовая однородность, отсутствие пористости, прозрачность, малый размер, показатель преломления и др.), которые существенно влияют на способы их создания. Чаще всего для этих целей используют литографию и лазерную эпитаксию. Несмотря на технологическое совершенство этих методов и разнообразие их применения в оптике, они не приспособлены к масштабированию и полностью ограничены пространством рабочей камеры. Кроме этого, они предполагают использование высокочистых веществ в условиях сверхвысокого вакуума 10−8 Па. Исходя из этого научная новизна проекта заключается в исследовании механизмов осаждения наночастиц на основе золь-гель материалов методом струйной печати с точностью до нескольких нанометров. Этот подход позволит реализовать использование универсальной и широкодоступной технологии струйной печати для получения оптических наноструктур и конструкций. Этот метод успешно зарекомендовал себя в области биосенсорики и электроники, в том числе при создании микрочипов и микроинтегральных схем. Его использование в оптической индустрии сегодня ограничивается возможностями материальной базы, из-за отсутствия подходящих для этих целей «чернил» и инженерного управления их нанесением. Необходим поиск условий, при которых формирование полупроводниковых и диэлектрических сред в процессе струйной печати был бы аналогичен по качеству с более сложными методами литографии и лазерного осаждения. Отсутствует количественное описание фазовых и морфологических превращений вещества в процессе конденсации и твердофазного взаимодействия. Требуется комплексное исследование возможности послойного формирования твердого тела из жидкости, воспринимаемое светом как однородный массив. Для решения обозначенных проблем, авторами будут разработаны композиции, содержащие дисперсии золей кристаллических наночастиц с различными показателем преломления и реологически совместимые с печатающей головкой принтера (пьезоэлектрической и термокапельной), отвечающей за образование капли и ее осаждение. Предполагается использование в качестве чернил золей на основе диоксида титана, магнетита и бемита, которые обладают высокой стабильностью и переходят в состояние геля уже после нанесения при естественном испарении растворителя. Предварительные результаты исследований продемонстрировали уникальную перспективу этого подхода– впервые разработана концепция струйной печати голографических изображений с использованием избирательного маскирования микроэмбоссированных полимеров (статья в журнале Advanced Functional Materials (2015), IF=11.8). Результатом проделанной работы является разработка и апробация концепции струйной печати чернилами на основе нанокристаллического диоксида титана с образованием контролируемого нанометрового слоя. Учитывая перспективу этого направления и имеющийся задел проект позволит реализовать полномасштабное научное исследование, обладающее перспективой открытия новой области знаний, такой как «струйная печать оптических наноструктур».

Ожидаемые результаты
Комплексное исследование механизмов осаждения наночастиц методом струйной печати с точностью до нескольких нанометров позволит сформировать новое научное направление международного уровня и приведет к разработке доступной технологии печати оптических структур. В работе будут получены наноконструкции различного принципа действия. Так будут созданы фотон-индуцированные панели с равномерным распространением световой волны в тонком слое. Это уникальные объекты не только с точки зрения самого эффекта, но и с позиции его изготовления методами мягкой химии. Эта гетероструктура позволит осуществить равномерный транспорт фотонов (с заданной длиной волны) по всему периметру площадки, не зависимо от точки возбуждения. Подложка на основе такой структуры может быть основой для передачи и чтения информации в компьютерных системах нового поколения, работающих по принципу фотон-сигнал. Нанесение планарных волноводов на гибкие субстраты струйными методами (или трафаретной печатью) из растворов существенно упростит и ускорит машинное считывание сигналов на носителях, например при изготовлении банкнот и их распознавания в банкоматах. Будет исследован механизм послойного формирования гетероструктур для разработки концепции высоконтрастной интерфереционной печати с использованием слоев TiO2/AlOOH, где фаза бемита будет способствовать увеличению контраста, проявляя просветляющий эффект. По сути это будет первая работа по формированию полноцветных изображений с использованием прозрачных чернил. Сформированная авторами концепция цветной печати из прозрачных «чернил», путем контролируемого осаждения тонких высокорефрактивных слоев, открывает новые перспективы управления светом и построения цветного изображения. Помимо высокой социальной и практической ценности авторы проекта основное внимание уделяют научной значимости. Впервые будут исследованы механизмы трансформации осажденных капель в однородный массив с точностью до нескольких нанометров. Будет установлена взаимосвязь золь-гель перехода сформированной наноархитектуры с конечными оптическими свойствами. Детально исследовано изменение механической твердости каждого из наносимых слоев, получаемых в условиях многопроходной методики. Установлена взаимосвязь образования и движения капли в зависимости от ее состава и реологии. Разработаны новые составы золей с кристаллическими наночастицами с высоким содержанием активной фазы (не менее 7 мас.%), применимые для технологии струйной печати. Определены условия формирования низкоразмерных ксерогелей после сушки наносимого слоя, обладающие как высоким (более 2.0 в видимой области), так и низким (менее 1.5 в видимой области) показателем преломления. Исследованы механизмы ресуспендирования слоев, необходимые для частичного протравливания и уплотнения. Помимо этого, будет задействован комплекс мер, направленных на доработку современных способов струйной печати путем модифицирования программы управления головки принтера, исследование стабильности пьезокристаллов при использовании чернил с агрессивной средой и оценка воспроизводимости. По итогам реализации заявляемого проекта будет разработана платформа и новейшая концепция методов создания оптических наноструктур и конструкций методами струйной печати, аналогов которой в мире нет. Это позволит подготовить и опубликовать не менее 10 статей в высокорейтинговых журналах мирового уровня, направить не менее 6 заявок на получение патентов и разработать практикумы для студентов и аспирантов по направлению "оптика" и "материаловедение".

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках выполнения научного проекта "Разработка струйной печати оптических наноструктур", предполагающего создание самостоятельной научной группы в структуре Университета ИТМО, в 2016 году было разработано и запатентовано ряд уникальных работ, позволяющих осуществить формирование наноструктур с использованием струйной печати. Коллективом авторов, начиная с 2015 года, проведены пионерские работы, демонстрирующие уникальную перспективу данного подхода для печати оптических материалов. Так в журнале Advanced Functional Materials, 2015, 25(47), 7375–7380 была впервые продемонстрирована возможность маскирования высокорефрактивными чернилам радужных голограмм для получения оптически-активных дифракционных элементов, а в журнале ACS Nano, 2016, 10(3), 3078–3086 впервые показана печать интерференционных изображений. В каждом из случаев нам удалось сформировать концепт, подтверждающий теорию струйной печати сплошных покрытий с контролируемой толщиной до нескольких десятков нанометров при переходе веществе из жидкофазного состояние в твердофазное. Такой подход уникален благодаря нескольким причинам: а) во-первых позволят осуществлять формирование структур в дифракционном пределе не лимитируемого объема и площади, б) во вторых является редким примером формирования наноструктур доступным методом, открывая широкую перспективу в его использовании и в) наглядно демонстрирует использование растворной химии в методах формирования оптических структур при помощи струйного принтера. За прошедший год авторам удалось существенно углубить полученные результаты и расширить сферу применения данной технологии. Так, впервые продемонстрирована возможность послойного осаждения слоев с контролируемой толщиной, обуславливая возможность получения многослойных гетероструктур методами струйной печати. Данный концепт позволил значительно увеличить видимость интерференционных изображений (на 37%), благодаря осаждению поверх интерферирующего слоя покрытия на основе бемита, с толщиной в размере ¼ по отношению к основному высокорефрактивному слою на основе TiO2, тем самым обеспечивая просветляющие свойства и нивелируя действие общего отражения. Полученные результаты опубликованы в авторитетном издательстве Nature Publishing Group из первого квартиля Scientific Reports. Помимо этого разработана стратегия печати полностью прозрачной в видимом диапазоне компьютерно-сгенерированной голограммы, которая, как и другие виды голограмм, формировались исключительно методами лазерной или электронной литографии. Показано, что используя переход из жидкого состояния в твердое капли чернил могут изменять свой объем до десятков раз, при этом, не меняя центра позиционирования и коалесцируя по заранее смоделированному сценарию в зависимости от расстояния позиционирования капель и поверхностных свойств субстратов. Более этого, несмотря на ряд ограничивающих факторов по депонированию чернил на поверхность непористого субстрата субстрат удалось показать высокую эффективность трансформации из жидкой фазы в твердую с образованием уникальных геометрических форм, что является принципиальным при изготовлении голограмм. Полученные результаты также опубликованы в авторитетном издательстве OSA Publishing из первого квартиля в журнале Optics Materials Express.

 

Публикации

1. Александр В. Яковлев, Евгений А. Пидько, Александр В.Виноградов Inkjet printing of transparent sol-gel computer generated holograms Opt. Mater. Express, 6, 3794-3803 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1364/OME.6.003794

2. Александр В.Яковлев, Валентин А. Миличко, Евгений А. Пидько, Владимир В.Виноградов, Александр В.Виноградов Inkjet printing of TiO2/AlOOH heterostructures for the formation of interference color images with high optical visibility Scientific Reports 6, 10.2016 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1038/srep37090

3. - Струйная печать компьютерно-сгенерированных голограмм НОВОСТИ ИТМО, - (год публикации - )

4. - Достижения в области струйной печати лаборатории SCAMT Вконтакте, - (год публикации - )

5. - Ученые из Университета ИТМО разработали бесцветные чернила для цветной печати РАМБЛЕР, - (год публикации - )

6. - Уникальные чернила для цветной печати 1NNC, - (год публикации - )

7. - Химики из Университета ИТМО разработали бесцветные чернила для цветной печати ТАСС, - (год публикации - )

8. - Голограмма на обычном принтере? Легко! ВЕСТИ, - (год публикации - )

9. - Разработаны бесцветные чернила, для цветной печати Новости ИТМО, - (год публикации - )

10. - Голограмма на обычном принтере?Да! Технология, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетном периоде 2017 года в рамках выполнения научного проекта "Разработка струйной печати оптических наноструктур", поддержанного грантом РНФ, произошло существенное укрепление научной группы, улучшилось оснащение лаборатории, позволяющее с большей точностью и скоростью выполнять экспериментальную часть, а также разработаны новые, уникальные системы, позволяющие наглядно раскрыть потенциал и возможности струйной печати в оптических и биосенсорных приложениях. В частности, впервые получены гибридные материалы, позволяющие получать радужные голограммы без дополнительной поверхностной защиты, благодаря высокому показателю преломления в видимой области спектра. Достичь этого удалось путем разработкb чернил на основе гексакоординированных комплексов титана и УФ-отверждаемых лаков на основе триэтиленгликоля диметакрилата, с высокой скоростью полимеризации в присутствии кислорода и УФ. Результаты данной работы изложены в J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 5487—5493. Также за прошедший год авторам удалось существенно углубить направление получения функционализированных коллоидов на основе неорганических наночастиц, которые являются основой для получения чернил для струйной печати. В частности, разработаны уникальные чернила, которые, помимо высокого значения показателя преломления в сухом остатке (1.8), обладают высоким квантовым выходом люминисценции диспергированных наночастиц на основе диоксида циркония, допированных европием (III). Это позволило разработать уникальную систему струйной печати голографических визуализаций с люминисцентными свойствами в качестве второй степени защиты для полиграфических элементов с защитными свойствами. При выполнении данной задачи исследованы способы стабилизации наночастиц оксида циркония в водных средах, позволяющих сохранить его оптические свойства. Результаты данной работы изложены в Nanoscale, 2017, 9, 13069–13078. В этом же году были начаты работы по разработке составов биосовместимых алюмооксидных систем, релевантных для применения в области струйной печати. На основе бемитовых гидрозолей получены чернила для струйной печати оптических биосенсоров, предназначенных для детекции уровня мочевины и глюкозы. Осажденные слои активировали свои биосенсорные свойства в процессе золь-гель-золь перехода в стадии взаимодействия с модельной биологической жидкостью. Сенсорные свойства достигались путем инкапсулированния ферментов (уриказы и глюкозооксидазы), которые после высыхания в алюмооксидном слое образуют устойчивую ксерогельную каплю, активно взаимодействующую с биомассой по механизму ферментной реакции, сопровождающейся в процессе изменением окраски. Результаты данной работы представлены в журнале: J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 85—91. Также на основе оригинальных рецептур биосовместимых титандиоксидных чернил, формируемых при pH-близких к нейтральным, разработаны системы струйной оптических биосенсоров на оксидазном типе, работающих без использования органической составляющей для изменения окраски получаемого при качественной реакции перексида водорода. В частности, нам удалось получить оптические биосенсоры некаскадного типа для определения концентрации холестерина в модельной биологической жидкости. Результаты данной работы представлены в журнале: Sensors and Actuators B 251 (2017) 746–752.

 

Публикации

1. Александра Фурасова, Владимир Ивановский, Александр Яковлев, Валентин Миличко, Владимир Виноградов, Александр Виноградов Inkjet fabrication of highly efficient luminescent Eu-doped ZrO2 nanostructures Nanoscale, Nanoscale, 2017, 9, 13069–13078 | (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1039/c7nr03175k

2. Елена Еремеева, Александр Яковлев, Евгений Пидько, Александр Виноградов UV-curable hybrid organic–inorganic composite inks with a high refractive index for printing interference images and holograms Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 5487 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1039/c7tc00392g

3. Софья Сафарян, Александр Яковлев, Владимир Виноградов, Александр Виноградов Inkjet printing of the chromogen free oxidase based optical biosensor Sensors and Actuators B 251 (2017) 746–752, Sensors and Actuators B 251 (2017) 746–752 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.05.112

4. Софья Сафарян, Александр Яковлев, Евгений Пидько, Александр Виноградов, Владимир Виноградов Reversible sol–gel–sol medium for enzymatic optical biosensors Journal of Materials Chemistry B, J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 85--91 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1039/c6tb02559e

5. - Новые чернила для струйной печати позволят делать светящиеся голограммы и защитят документы ПОРТАЛ ИТМО, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Развитие методов струйной печати оптических наноструктур – это крайне важное направление науки и техники, позволяющее использовать доступный метод мягкой нанолитографии для получения сложных структур с порядком меньше дифракционного предела видимого света. Развитие проекта РНФ «Струйная печать оптических наноструктур» в 2018 году привело исследователей к новым возможностям, в частности были открыты новые способы печати опаловой(Advanced Functional Materials, 28(21), 1706903) и «зеркальной» (Journal of Materials Chemistry C, 6(19), 5269-5277) голографии, а также впервые напечатан мономодальный планарный волновод (Advanced Optical Materials, 1801113.). Результаты работы опубликованы в ведущих журналах исключительно из первого квартиля, а также подписано новое соглашение на реализацию НИОКР в рамках разработанного в проекте продукта с АО НПО «Криптен».

 

Публикации

1. Келлер. К., Яковлев А., Грачова Е.В., Виноградов А.В., Inkjet Printing of Multicolor Daylight Visible Opal Holography advanced functional materials, 2018, 28, 1706903 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/adfm.201706903

2. Клестова А., Чеплагин Н., Келлер К., Слабов В., Заретская Г., Виноаградов А.В., Inkjet Printing of Optical Waveguides for Single‐Mode Operation advanced optical materials, 2018, 1801113 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/adom.201801113

3. Сафарян С., Слабо В., Копыль С., Романюк К., Бикини И., Васильев С., Зеленовский П., Шур В.Я., Услащен Е.А., Пидько Е.А., Виноградов А.В., Холкин А.Л., Diphenylalanine-Based Microribbons for Piezoelectric Applications via Inkjet Printing ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (12), pp 10543–10551 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1021/acsami.7b19668

4. Слабов В., Виноградов А., Яковлев А., Inkjet printing of specular holograms based on a coffee-ring effect concave structure J. Mater. Chem. C,, 2018, 6, 5269-5277 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1039/C8TC01208C

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты НИР легли в основу разработки нескольких технологий, предполагающих дальнейшую коммерциализацию и внедрение. В частности совместная разработка с компанией "Паквижн" привела к созданию нового продукта - ресуспендируемого ксерогеля диоксида титана, который успешно производиться и продается для защиты поверхности микроэмбоссированных полимеров. Под заказ Ариельского университета разработаны высокофотоактивные покрытия на основе диоксида титана для использования в солнечной энергетике. В этом году начался цикл работ с компанией IQDEMy по созданию пленарного волновода методом струйной печати и печатающего устройства к нему. Также в 2018 году подписан контакт АО НПО "Криптен" на создание технологии печати окрашиваемых наноструктур под действием интерференции в поляризованном свете для применения в области защиты ценных бумаг и документов. Уже имеются договоренности с двумя новыми компаниями на разработку технологий защищенной печати, но требуется продолжение действующего проекта для доведения результатов НИР до демонстрационного образца. Наделся на поддержку этого проекта фондом на следующие 2 года в качестве "продолжающегося".