Во многих бурно развивающихся областях науки — биологии, химии, медицине или фундаментальной физике возникает потребность изучения объектов или процессов в нанометровом масштабе. Чаще всего на данный момент эту задачу решают при помощи электронного микроскопа.

Однако, работа с электронным микроскопом — непростое занятие: в камере микроскопа необходимо поддерживать вакуум, а сам образец для получения качественной картинки должен быть покрыт тонким слоем металла. Это приводит к тому, что исследовать живые образцы, например, клетки, при помощи электронного микроскопа крайне затрувднительно — “живая” клетка в вакууме может лопнуть из-за внутреннего давления, а попытки ее металлизировать могут повредить клетку или исказить ее форму. Ко всему прочему, электронный пучок может проникнуть в глубину образца всего на несколько микрон, что делает затруднительными исследования внутренней структуры.

Тем не менее, изучать маленькие биологические объекты все же необходимо. Для этого можно использовать рентгеновское излучение. Оно может проникать очень глубоко в биологические ткани, а также не требует проведения дополнительных специальных операций с образцом, часто приводящих к его разрушению. Если сконструировать микроскоп, работающий при помощи рентгеновского излучения, можно получать картинки не только с поверхности, но и внутренней структуры образцов с разрешением в несколько нанометров без использования вакуума и металлического напыления образцов, в том числе в режиме “реального времени”.

Для того, чтобы сделать подобный микроскоп, необходимо сфокусировать рентгеновское излучение. Для фокусировки излучения используют системы зеркал, дифракционные пластинки или преломляющую оптику (линзы). У линз для фокусировки рентгеновского излучения есть несколько отличий от линз для видимого диапазона. Во-первых, из-за того, что показатель преломления материала для рентгеновского излучения меньше единицы, линзы для фокусировки должны быть не выпуклыми, а вогнутыми. Во-вторых, поскольку разница показателей преломления у материалов и воздуха очень небольшая (от тысячной до миллионной доли), нужно делать целые массивы из десятков, а то и сотен вогнутых линз, которые расположены в ряд — на одной оптической оси. Такие конструкции называют составными преломляющими рентгеновскими линзами (СПРЛ).

На данный момент СПРЛ чаще всего делают из бериллия и кремния в форме двояковогнутых параболоидов вращения методами штамповки и ультрафиолетовой литографии с последующим травлением. Разрешение картинки, полученной на рентгеновском микроскопе, определяется размерами фокусного пятна, то есть поперечными размерами пучка в фокусе. Традиционные технологии достаточно грубы, и, как правило, с их помощью размеры фокусного пятна получаются не меньше, чем 50 нм. Кроме того, для некоторых задач требуется перестраиваемое фокусное расстояние, для чего используются СПРЛ с переменным количеством линз — трансфокаторы. Трансфокаторы на основе СПРЛ из бериллия очень громоздкими устройствами – характерный размер трансфокаторов составляет единицы метров.

Для того, чтобы изготовить легкие, компактные трансфокаторы с фокусным пятном меньших размеров, можно использовать современные методы 3Д-печати, такие как метод двухфотонной лазерной литографии (2PP). 2РР основана на эффекте «двухфотонного поглощения» – лазер засвечивает резист на длине волны в ближнем ИК-диапазоне, для которого резист прозрачен. В фокальной области интенсивность излучения настолько велика, что становится заметным нелинейный процесс двухфотонного поглощения. В данном процессе происходит одновременное поглощение двух фотонов в ИК-области, эквивалентное поглощению одного фотона с удвоенной частотой, т.е. уже из УФ-диапазона. Так как резист для УФ-излучения прозрачным не является, на данной длине волны происходит поглощение и резист затвердевает.

Метод 2РР позволяет печатать изделия из фотополимерных смол с разрешением до 100 нм. Причем, поскольку затвердевают только те участки фоторезиста, которые оказались в фокусе лазерного излучения, данный метод позволяет печатать сложные нависающие и самопересекающиеся структуры даже через уже полимеризованный материал. Используя специальные фоторезисты и проводя после печати процедуру отжига, можно изготавливать элементы преломляющей рентгеновской оптики из стойких, стабильных и слабопоглощающих материалов, таких как стеклоуглерод или диоксид кремния. При этом изготавливаемые линзы получаются компактными и легкими. На фотографии ниже изображен массив из 100 линз, занимающий на стеклянной подложке не более 3 мм, а вес — десятые доли грамма.

Патенты

Публикации:

1. M. I. Sharipova, T. G. Baluyan, K. A. Abrashitova, G. E. Kulagin, A. K. Petrov, A. S. Chizhov, T. B. Shatalova, D. Chubich, D. A. Kolymagin, A. G. Vitukhnovsky, V. O. Bessonov, and A. A. Fedyanin, “Effect of pyrolysis on microstructures made of various photoresists by two-photon polymerization: a comparative study,” Optical Materials Express, vol. 11, no. 2, pp. 371–384, 2021. [ DOI ]
2. K. A. Abrashitova, G. E. Kulagin, A. K. Petrov, V. O. Bessonov, and A. A. Fedyanin, “Pyrolyzed 3d compound refractive lens,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 1461, pp. 012129–012129, 2020. [ DOI ]
3. A. Barannikov, M. Polikarpov, P. Ershov, V. Bessonov, K. Abrashitova, I. Snigireva, V. Yunkin, G. Bourenkov, T. Schneider, A. A. Fedyanin, and A. Snigirev, “Optical performance and radiation stability of polymer x-ray refractive nano-lenses,” Journal of Synchrotron Radiation, vol. 26, no. 3, pp. 714–719, 2019. [ DOI ]
4. M. Lyubomirskiy, F. Koch, K. A. Abrashitova, V. O. Bessonov, N. Kokareva, A. Petrov, F. Seiboth, F. Wittwer, M. Kahnt, M. Seyrich, A. A. Fedyanin, C. David, and C. G. Schroer, “Ptychographic characterization of polymer compound refractive lenses manufactured by additive technology,” Optics Express, vol. 27, no. 6, p. 8639, 2019. [ DOI ]
5. A. K. Petrov, V. O. Bessonov, K. A. Abrashitova, N. G. Kokareva, K. R. Safronov, A. A. Barannikov, P. A. Ershov, N. B. Klimova, I. I. Lyatun, V. A. Yunkin, M. Polikarpov, I. Snigireva, A. A. Fedyanin, and A. Snigirev, “Polymer x-ray refractive nano-lenses fabricated by additive technology,”  Optics Express, vol. 25, p. 14173, 2017. [ DOI ]