Учёные создали компактные спектрометры на основе пластика

Двойное лучепреломление пластиковых изделий в лаборатории (масштабная линейка: 1 см). Автор: Science Advances

Международная команда исследователей, включая инженеров из Кембриджского университета и Чжэцзянского университета, разработала прорывную технологию миниатюрных спектрометров, которая может значительно расширить доступность и функциональность спектральной визуализации в повседневных устройствах.

Исследование под названием «Stress-engineered ultra-broadband spectrometer», опубликованное в журнале Science Advances, описывает новую недорогую платформу спектрометров, созданную из программируемых пластиковых материалов вместо традиционного стекла.

Эти инновационные устройства работают в полном видимом и коротковолновом инфракрасном (SWIR) диапазоне — от 400 до 1600 нанометров — что открывает множество возможностей для практического применения.

Пластиковая революция в оптике

Команда вдохновлялась эволюцией камер смартфонов, которые сейчас активно используют пластиковые оптические компоненты для достижения высокой производительности в ультракомпактных форматах. Применив тот же принцип к дизайну спектрометров, исследователи использовали прозрачные эпоксидные смолы с памятью формы (SMP) для создания дисперсионных оптических элементов — компонентов, разделяющих свет на спектральные составляющие.

Особенность этого подхода заключается в использовании внутренних напряжений для настройки оптических свойств пластика. Обычно напряжения, возникающие при производстве пластиковых объектов, являются неконтролируемыми и нестабильными. Однако SMP можно механически растягивать при повышенных температурах, чтобы «запрограммировать» точные и стабильные распределения напряжений в материале. Эти напряжения создают двойное лучепреломление — оптический эффект, при котором свет разделяется в зависимости от его длины волны.

«Формируя внутренние напряжения в полимере, мы можем проектировать спектральное поведение с высокой повторяемостью и настраиваемостью, что очень сложно достичь с традиционной оптикой», — сказал Гунъюань Чжан из Чжэцзянского университета, ведущий автор исследования.

От лаборатории до потребительских технологий

Одно из ключевых достижений этой работы — демонстрация того, что эти плёнки с инженерными напряжениями можно изготавливать в один этап, без литографии или дорогостоящей нанофабрикации. Это делает устройства идеальными для массового производства и интеграции в потребительскую электронику, такую как мобильные телефоны, носимые мониторы здоровья и даже анализаторы качества пищи.

«Мы показали, что можно использовать программируемые пластики для охвата гораздо более широкого диапазона спектра, чем типичные миниатюрные системы — вплоть до SWIR, — сказал профессор Цзунъинь Ян, ведущий автор из Чжэцзянского университета. — Это очень важно для таких приложений, как мониторинг сельского хозяйства, разведка полезных ископаемых и медицинская диагностика».

Платформа для будущего

Эта работа представляет собой не только технический прорыв, но и закладывает основу для нового класса ультрапортативных широкополосных сенсорных устройств, которые могут трансформировать промышленные и потребительские рынки.

Исследователи указывают на несколько вероятных областей применения: обнаружение загрязнителей в воде или воздухе, проверка подлинности лекарств, неинвазивный мониторинг уровня сахара в крови и даже сортировка перерабатываемых материалов в реальном времени.

«Эта работа показывает, как принципы механического проектирования можно использовать для преобразования фотонных функций, — сказал соавтор профессор Тауфик Хасан из инженерного факультета Кембриджа. — Встраивая напряжения в прозрачные полимеры, мы создали новый класс дисперсионной оптики, которая не только легка и масштабируема, но и адаптируема в широком спектральном диапазоне».

Дополнительная информация: Gongyuan Zhang et al, Stress-engineered ultra-broadband spectrometers, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu4225