Исследование провели в Центре нейробиологических исследований изображений (CNIR) при Институте фундаментальных наук (IBS) в сотрудничестве с Университетом Сунгкюнкван (SKKU). Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Биологические ткани, такие как сердце, мозг и мышцы, мягкие, подвижные и изогнутые. Существующие биоэлектронные устройства часто кажутся чужеродными, вызывая воспаление, плохую адгезию и нестабильные сигналы. Даже ультратонкие из них требуют клеев, подложек или опор.

Команда задалась вопросом: что, если устройство становится мягким и самоклеящимся только при контакте с тканью? Это привело к THIN — наномембране без подложки, которая самоклеится к влажной ткани без швов или давления. Она адаптируется к микроскопически изогнутым поверхностям, поддерживая длительный контакт.

THIN состоит из двух слоев: гидрогеля (альгинат, конъюгированный с катехолом, Alg-CA) для адгезии и полупроводникового эластомера P(g2T2-Se) для проводимости. При увлажнении жесткость уменьшается в миллион раз (до 9,08 × 10⁻⁶ ГПа⋅м²), позволяя обхватывать поверхности с радиусом кривизны менее 5 мкм — она становится механически незаметной.

Полимер P(g2T2-Se) показывает рекордное произведение подвижности на емкость (μC*) — 1034 Ф⋅см⁻¹⋅В⁻¹⋅с⁻¹, в 3,7 раза выше, чем у обычных материалов. Это обеспечивает высокую ионно-электронную связь для органических электрохимических транзисторов (OECT), усиливающих биосигналы даже при растяжении.

В экспериментах на грызунах THIN мгновенно прикреплялось к сердцу, мышцам и коре мозга, регистрируя электрокардиограммы (EGM), электромиограммы (EMG) и электрокортикограммы (ECoG) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырех недель без воспалений.

"Наша платформа THIN-OECT — как нанокожа: невидимая для тела, механически неощутимая и электрически мощная, — сказал профессор Дж. Сон Донхи. — Это открывает перспективы для интерфейсов мозг-машина, мониторинга сердца и нейропротезирования".

В отличие от систем на эластомерных подложках, THIN автономен, работает на наноуровне и исключает неопределенности сигналов. Она усиливает сигналы прямо на месте контакта, устраняя нужду во внешних усилителях, и подходит для импантируемых, носимых или инъекционных устройств.

Будущие разработки включают многоканальные матрицы THIN с беспроводной связью для замкнутых интерфейсов мозг-машина, реабилитационной робототехники и биорезорбируемых версий для минимально инвазивного применения.

Фокусировка света имеет ключевое значение для различных технологических приложений на фотонных чипах, включая квантовую связь, оптические датчики и лазеры на чипах. "До настоящего времени мы знали о двух основных стратегиях сосредоточения света: это можно осуществить с помощью оптических резонаторов или волноводов, которые сжимают свет, подобно воронке", — отмечает руководитель группы AMOLF Эвальд Верхаген.

"Первый метод основан на резонансе, что ограничивает фокусировку света определенной длиной волны. Второй метод функционирует аналогично традиционной линзе, однако применяется в устройствах, которые значительно больше длины волны используемого света."

Теоретическая концепция, разработанная исследователями из Корнельского университета под руководством Геннадия Швеца, указала на новый метод, который кандидат наук Даниэль Муйс и его коллеги продемонстрировали впервые. Ключевым аспектом этого метода является так называемая топология физической системы.

Муйс поясняет: "Мы используем фотонные кристаллы, представляющие собой пластины кремния с регулярным узором очень мелких отверстий, которые фактически запрещают распространение света в кремниевой пластине. Однако, когда мы располагаем два таких кристалла с зеркальным узором рядом друг с другом, на их границе формируется волновод; свет может двигаться только вдоль этой границы. Уникальность данного дизайна заключается в том, что проводимость света 'топологически защищена', что означает, что рассеяние или отражение света из-за несовершенств в кристалле подавляется."

Исследователи задумались, что произойдет, если резко завершить такой волновод "стеной" из материала, через который свет не может пройти. "Поскольку свет не имеет выхода, и отражения подавлены, он должен накапливаться перед этой стеной," говорит Муйс. "Свет в конечном итоге отразится обратно через волновод, но только с задержкой. Это приводит к локальной амплификации света."

Группы Эвальда Верхагена из AMOLF и Кобуса Куиперса из TU Delft решили проверить эти предсказания в эксперименте совместно с исследователями из Корнельского университета. Топологические волноводы были изготовлены на кремниевом чипе в AMOLF. Для визуализации предсказанного накопления света внутри фотонного кристалла Муйс использовал уникальный микроскоп в TU Delft, который сканирует световые поля с помощью ультратонкой иглы над поверхностью кристалла. Этот микроскоп способен локализовать интенсивность света на масштабе примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса.

"Мы действительно наблюдали четкую амплификацию светового поля в конце топологического волновода. Интересно, что это произошло только тогда, когда 'стена', завершающая волновод, была расположена под определенным углом. Это полностью соответствовало предсказаниям наших партнеров из Корнелла," говорит Муйс.

"Это подтверждает, что амплификация света связана с топологическим подавлением обратного отражения. Амплификация света сосредоточена в очень небольшом объеме, сопоставимом с длиной волны самого света. Основное преимущество данного метода заключается в его широкополосности: он работает для нескольких различных длин волн."

Статья в журнале Science Advances, в которой равные доли вклада внесли Муйс и его коллега из Корнелла Ян Донг Ли, может быть воспринята как руководство для дальнейших исследований или приложений данной формы амплификации света на чипе. Продемонстрированный механизм также должен быть применим к любому другому типу волн в структурированной среде, включая звуковые волны или даже электроны в определенных кристаллах.

Муйс добавляет: "Следующим шагом было бы интересно использовать импульсный лазер для изучения времени, в течение которого свет продолжает накапливаться, чтобы выяснить, насколько можно максимизировать амплификацию поля, и использовать это для приложений в манипуляции светом на оптических чипах."