Έλληνες ερευνητές στην Κρήτη ανοίγουν δρόμο με…λέιζερ

Σμίλευση υλικών, βιοκατασκευή, απεικόνιση και διάγνωση είναι κάποια από τα πεδία όπου βρίσκει εφαρμογή η πρωτοποριακή έρευνα αιχμής στην τεχνολογία λέιζερ που διενεργείται στο Εργαστήριο Λέιζερ και Μοντέρνας Οπτικής στο ΙΤΕ.

Το πρώτο που βλέπεις μπαίνοντας μέσα στο Εργαστήριο Λέιζερ και Μοντέρνας Οπτικής, του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) στο Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας (ΙΤΕ) στο Ηράκλειο της Κρήτης

είναι οι δύο γκρι, ογκώδεις και συνδεδεμένες μεταξύ τους οπτικές τράπεζες, που αν τις ακουμπήσεις επανέρχονται στην αρχική τους θέση με ένα σύστημα αέρα. Οι τράπεζες διαθέτουν πηγές λέιζερ από τις οποίες ξεκινούν ισχυρές δέσμες, οι οποίες με τη βοήθεια κατόπτρων καθοδηγούνται σε σταθμούς εργασίας. Πίσω από τον τελικό φακό που θα χρησιμοποιηθεί για να «γράψει» το λέιζερ πάνω σε οποιοδήποτε υλικό (τεχνητό ή βιοϋλικό) σε κάθετο και οριζόντιο άξονα, υπάρχει ένα πλήθος οπτικών στοιχείων.

Η προσέγγιση των ερευνητών του εργαστηρίου, που είναι ένα από τα πιο πρωτοπόρα εργαστήρια στο είδος του παγκοσμίως, είναι απλή: μελετάς έναν ζωντανό οργανισμό στη φύση και εφαρμόζεις τα μορφολογικά και λειτουργικά του χαρακτηριστικά στη τεχνολογία και στο design ενός προϊόντος.

«Η βασική μας αρχή είναι η κατανόηση. Η φύση είναι το μεγαλύτερο εργαστήριο και έχει βρει άριστες λύσεις σε τεράστια προβλήματα για να μη πω σε όλα. Μελετάμε τις επιφάνειες στη φύση και προσπαθούμε να μεταφέρουμε τις ιδιότητές τους στην επιφάνεια ενός επιθυμητού υλικού σμιλεύοντάς το με μια δέσμη λέιζερ», εξηγεί ο Δρ. Στρατάκης, που είναι Διευθυντής Ερευνών στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ.

«Ο ιερός λωτός της Κίνας»

Όλα ξεκίνησαν από τα φύλλα του «ιερού λωτού» της Κίνας, η επιφάνεια των οποίων έχει υδρόφοβες ιδιότητες. Γιατί ιερού; Γιατί έχει την ιδιότητα να …αυτοκαθαρίζεται, για αυτό και θεωρείται σύμβολο αγνότητας. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι λιπαρές ουσίες που δομούν την επιφάνεια των φύλλων απομακρύνουν οποιαδήποτε υποψία νερού κι έτσι προσπάθησαν να το μεταφέρουν στο εργαστήριο.

«Διακρίναμε κάποιες χαρακτηριστικές απολήξεις από νανοτριχίδια που καλύπτονται από μια υδρόφοβη ουσία. Η εξαίρετη μορφολογία με την υδροφοβικότητα του κεριού είναι αυτή που προσδίδει την υδροαπωθητικότητα. Ξεκινήσαμε το 2008 και φτιάξαμε χρησιμοποιώντας πολύ στενούς παλμούς δέσμες λέιζερ, υπερυδρόφοβες επιφάνειες (που «απεχθάνονται» τα υγρά) πάνω σε μέταλλα και σε άλλα στερεά υλικά», περιγράφει ο Έλληνας επιστήμονας, ο οποίος μαζί με μια ερευνητική ομάδα 40 ατόμων πολλών ειδικοτήτων συνεχίζουν να μελετούν τη φύση και να εμπνέονται.

Ο Διευθυντής Ερευνών στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ, Δρ Στρατάκης

Μέχρι τώρα η ομάδα, βασιζόμενη στις παρατηρήσεις του εξωτερικού στρώματος των κελυφών σπάνιων υδρόβιων ερπετών (ενδεικτικά του Dysodius magnus), όπου συλλέγεται το νερό και με ένα περίτεχνο δίκτυο καναλιών μεταφέρεται στο στόμα τους, έχει δείξει εφαρμογές για ταχεία μεταφορά και καθοδήγηση υγρών από ένα σημείο σε ένα άλλο: «Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μικρορευστονική, στην οποία βασίζεται η νέα τεχνολογία “organ-on-a-chip”, για παράδειγμα, όταν θες να μεταφέρεις ένα βιολογικό ή ένα οποιοδήποτε υγρό πολύ γρήγορα και στοχευμένα από ένα σημείο σε ένα άλλο», συμπληρώνει ο κ. Στρατάκης.

Οι ερευνητές του εργαστηρίου μπορούν επίσης να κατασκευάσουν μικρονανομηχανικά στοιχεία με ενισχυμένη αντοχή στην τριβή και τη φθορά (όπως υψηλής απόδοσης ρουλεμάν ολίσθησης και μικρομηχανικά εξαρτήματα αντλιών), που βελτιώνουν την ολίσθησή τους όταν έρχονται σε επαφή με το νερό ή με άλλο υγρό: «Σμιλεύοντας κατάλληλα με λέιζερ ένα ρουλεμάν που κινείται μέσα σε μια μηχανή μειώνεις την εσωτερική τριβή και κάνεις οικονομία στο καύσιμο αυξάνοντας ταυτόχρονα την απόδοση. Αυτή η τεχνική σμίλευσης που παράχθηκε στο εργαστήριο μας στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού έργου LiNaBioFluid και κατοχυρώθηκε ως πατέντα, έχει προσφερθεί ως προϊόν σε πολλές βιομηχανίες που χρησιμοποιούν τεχνικές σμίλευσης. Η αυστριακή εταιρεία High Tech Coatings GmbH (HTC) για παράδειγμα, τη χρησιμοποιεί τώρα στη γραμμή παραγωγής της».

Η φύση δείχνει τον δρόμο

Την ώρα που η Αirbus εξετάζει αν οι αντιψυκτικές ιδιότητες του δέρματος του καρχαρία μπορεί να χρησιμοποιηθούν στα αεροπλάνα, οι Έλληνες ερευνητές του Εργαστηρίου εκμεταλλεύονται με οργανωμένο τρόπο τις οπτικές ιδιότητες της φύσης. μέσα από τη νέα εταιρία τεχνοβλαστό (spin-off) που ιδρύθηκε στο ΙΤΕ με την επωνυμία «Biomimetic».

Η εταιρεία ιδρύθηκε το 2020 από τον Δρα. Εμμανουήλ Στρατάκη με συνιδρυτές τους ερευνητές του ΙΤΕ, Ευάγγελο Σκουλά, Ανδρέα Λεμονή, Αντώνη Παπαδόπουλο και Αλέξανδρο Μιμίδη και με έδρα το Επιστημονικό και Τεχνολογικό Πάρκο Κρήτης (ΕΤΕΠ-Κ) στις εγκαταστάσεις του Ιδρύματος. Προσέλκυσε μάλιστα 900.000 ευρώ χρηματοδότηση σποράς (seed funding) από την Big Pi Ventures, εταιρία διαχείρισης κεφαλαίων Υψηλού Επιχειρηματικού Κινδύνου (Venture Capital) του EquiFund, που υποστηρίζεται από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Επενδύσεων (ΕΤΕ).

Οι ερευνητές της Biomimetic εργάζονται τώρα για να μειώσουν την αντανάκλαση ή την έντονη λάμψη διαφανών επιφανειών ή οθονών κάτω από το φως, μέσω της επεξεργασίας τους με ακτινοβολία λέιζερ. Η μείωση της αντανάκλασης αποτελεί μια ιδιότητα τεράστιας σημασίας για σχεδόν οποιοδήποτε οπτικό σύστημα και ηλεκτρονική συσκευή. Για παράδειγμα, η ανακλαστικότητα του γυαλιού είναι ένας βασικός λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα tablet στο φως της ημέρας.

Για να επιτύχουν τη μείωση της αντανάκλασης, οι Έλληνες επιστήμονες χρησιμοποιούν μεθόδους που μιμούνται τις υψηλής απόδοσης αντι-ανακλαστικές νανοδομές των φτερών διαφόρων ειδών τζιτζικιών και πεταλούδων. Αυτή η τεχνολογία βρίσκει ένα τεράστιο φάσμα εφαρμογών σε οθόνες ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, ηλιακούς συλλέκτες και εξειδικευμένα οπτικά εξαρτήματα.

«Βρισκόμαστε στο στάδιο ανάπτυξης μιας μηχανής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία για να κατασκευάζει το αντι-ανακλαστικό γυαλί. Εμείς δεν κατασκευάζουμε γυαλιά αλλά προσφέρουμε την τεχνολογία σε εταιρίες, και μάλιστα κολοσσούς, που τα παράγουν. Πρόσφατα λάβαμε μια χρηματοδότηση 2,5 εκατομμυρίων ευρώ μέσω μιας κοινοπραξίας, όπου συμμετέχουν οι εταιρείες LASEA και Corning, η μεγαλύτερη εταιρεία κατασκευής γυαλιού παγκοσμίως για ηλεκτρονικές συσκευές. Η πρώτη ενδιαφέρεται να φτιάξει μια τέτοια μηχανή και η δεύτερη να τη βάλει στη γραμμή παραγωγής της», λέει ο κ. Στρατάκης, εξηγώντας πως η νανοτεχνολογία λέιζερ δυστυχώς μέχρι τώρα δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε πολύ μεγάλες επιφάνειες γιατί έχει υψηλό κόστος. Όμως προσφέρεται για μικρές και μεσαίες κλίμακες και σίγουρα είναι μια τεχνολογία που θα έχει ευρεία εφαρμογή στη λειτουργικοποίηση (functionalization) επιφανειών στο μέλλον, προσδίδοντάς τους οπτικές, υδροφοβικές, αντιβακτηριδιακές ή οτιδήποτε άλλο, μόνο με χρήση λέιζερ.

ΙΤΕ

Μια σειρά snapshots για διάγνωση

Οι υπερβραχείες πηγές λέιζερ παρομοιάζονται με μια πολύ γρήγορη φωτογραφική μηχανή. Φανταστείτε έναν αθλητή που τρέχει και τον οποίο θέλει κάποιος να φωτογραφίσει. Για να το επιτύχει θα πρέπει το κλείστρο της κάμερα της μηχανής να ανοίγει με μεγαλύτερη ταχύτητα από του αθλητή. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και στην ύλη που θέλουμε να παρατηρήσουμε.Και εδώ το λέιζερ έχει τη λύση:

«Τα σύγχρονα λέιζερ έχουν μικρή διάρκεια παλμών και μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να κατασκευάσουμε διαγνωστικά μηχανήματα. Έχουμε ένα υλικό, το χτυπάμε με μια δέσμη λέιζερ και με μια άλλη δέσμη το φωτογραφίζουμε γρήγορα, καρέ-καρέ. Έτσι λαμβάνουμε μια σειρά από καρέ, από την αρχή του φαινομένου μέχρι το τέλος, δηλαδή από την εκκίνηση του αθλητή μέχρι το τέρμα. Αν για παράδειγμα ο αθλητής σκοντάψει κάπου κατά τη διαδρομή, θα το παρατηρήσουμε. Όσο πιο γρήγορο είναι το φαινόμενο που θέλουμε να παρακολουθήσουμε, τόσο πιο γρήγορη πρέπει να είναι η μηχανή, αλλιώς το χάσαμε», περιγράφει χαρακτηριστικά ο διακεκριμένος ερευνητής.

Στους ερευνητές του Εργαστηρίου Λέιζερ και Μοντέρνας Οπτικής δεν αρέσουν τα push buttons, δεν θέλουν να χρησιμοποιούν μηχανές και να παράγουν αποτελέσματα πατώντας, απλά, κουμπιά. Αντίθετα, θέλουν να τα ελέγχουν όλα οι ίδιοι. Οι ίδιοι κατασκευάζουν τους κώδικες, τις διατάξεις, ενώ έχουν δημιουργήσει μέσα στο εργαστήριο ένα machine shop με 3D εκτυπωτές, εργαλεία συγκόλλησης πλακετών και άλλα υποστηρικτικά μηχανήματα για να κάνουν τη διασύνδεση των σταθμών εργασίας με τις πηγές λέιζερ και να ελέγχουν απόλυτα τις ενέργειές τους.

Με μια τέτοια μηχανή που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο οι ερευνητές «τρέχουν» ένα άλλο κομμάτι της έρευνας, τη βιο-κατασκευή (biofabrication), δημιουργώντας υποστρώματα ανοικοδόμησης βιολογικών ιστών:

«Σμιλεύουμε βιουλικά και τους δίνουμε συγκεκριμένο σχήμα για να φτιάξουμε ικριώματα μηχανικής ιστών. Ξεκινάμε από τη βασική ουσία στη νανονκλίμακα και φτάνουμε στη τελική μορφή στη μακροκλίμακα με μια ιεραρχική δομή. Για να μιμηθούμε αυτές τις κλίμακες χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο που να τις φτιάχνει πολύ γρήγορα, είτε μεμονωμένα, είτε συνδυαστικά, συνδυάζουμε την 3D εκτύπωση με βιομελάνια, με τη σμίλευση με λέιζερ, και ονομάζουμε την τεχνική “4D εκτύπωση”. Στην ουσία συγχρονίζουμε τον τρισδιάστατη εκτυπωτή με το λέιζερ και κάθε φορά που εκτυπώνεται μια στρώση, το λέιζερ σμιλεύει ταυτόχρονα. Και όχι απλά σμιλεύει, αλλά σμιλεύει σε δυο τάξεις μικρότερου μεγέθους, δημιουργώντας πολύ μικρότερες περιοχές. Έτσι μπορείς να δημιουργήσεις κανάλια μέσα σε ένα ικρίωμα για να εισαγάγεις θρεπτικά συστατικά ή φάρμακα εντοπισμένα ή να παρέμβεις με όποιο τρόπο υποδείξουν οι Βιολόγοι στην αρχιτεκτονική του ικριώματος».

Σύμφωνα με τον Δρα. Στρατάκη, με αυτή τη μηχανή η ομάδα του έχει δείξει το proof of concept σε ικριώματα που χρησιμοποιούνται για την αναγέννηση οστού: «Λειτουργεί εξαιρετικά και η φιλοδοξία μας είναι να προχωρήσουμε στον νευρικό ιστό που είναι πολυπλοκότερος», δηλώνει.

Η απεικόνιση…αλλιώς

Οι ερευνητές του εργαστηρίου πήραν ένα απλό μικροσκόπιο, αφαίρεσαν όλα τα οπτικά στοιχεία και τα αντικατέστησαν με στοιχεία για παλμικές πηγές φωτός. Με άλλα λόγια αντί να χρησιμοποιεί κάποιος μια λάμπα που φωτίζει το αντικείμενο που θέλει να παρατηρήσει, τοποθετεί μια πηγή λέιζερ υπέρστενων παλμών. Και αυτό το έκαναν για να παρακολουθούν γρήγορα φαινόμενα διεγείροντας κάποιο βιοϋλικό χωρίς να χρειάζεται σήμανση με φθορίζουσες ουσίες.

«Μπορείς έτσι να παρατηρήσεις ικριώματα με στατικές κυττταροκαλλιέργειες, αλλά και με δυναμικές κάτω από ροή. Ένα βασικό πλεονέκτημα σχετίζεται με την ακτινοβολία του ίδιου του υλικού και αναφέρομαι στη γένεση δεύτερης και τρίτης αρμονικής εξαρτώμενης από την πόλωση. Για παράδειγμα το κολλαγόνο δίνει μια ωραία ακτινοβολία διπλάσιας συχνότητας με την οποία μπορείς να διακρίνεις την περιστροφή του ελικοειδούς μορίου του και να διαπιστώσεις αν είναι φυσιολογική ή όχι. Επίσης μπορείς να παρατηρήσεις και περισσότερα μόρια ταυτόχρονα, το μοτίβο τους, το πώς διατάσσονται το ένα σε σχέση με το άλλο κλπ. πράγματα που αλλιώς θα τα έκανες μόνο με ηλεκτρονική μικροσκοπία. Αν εισαγάγεις ένα φάρμακο μπορείς να δεις την επίδρασή του πάνω σε βιομόρια την αναγέννηση ή την αποδόμηση ιστού σε real time και live. Σε μια μύγα π.χ. διακρίνουμε τρίτη αρμονική σε καρκινικούς όγκους, χρησιμοποιούμε λέιζερ για να τους καταστρέψουμε και παρατηρούμε την αποδόμησή τους και αντίστροφα. Και αυτό μπορείς να το κάνεις σε οποιοδήποτε ιστό, φυτικό ή ζωικό. Έχουμε επενδύσει πολλά σε αυτή την τεχνολογία», εξηγεί ο Δρ. Στρατάκης.

Σύμφωνα με τον ίδιο, η συγκεκριμένη διάταξη είναι κατασκευασμένη μέσα στο εργαστήριο και όλα τα στοιχεία, το software και το hardware ελέγχονται από τους ερευνητές, γεγονός που τους προσφέρει το πλεονέκτημα για custom δοκιμές επί τόπου.

Σε μια γωνιά στον χώρο του εργαστηρίου βρίσκεται και ένας σκοτεινός θάλαμος όπου διενεργείται φασματοσκοπία βασικής διαγνωστικής φυσικής σε μονοστρωματικά υλικά, τα οποία στο μέλλον θα χρησιμοποιηθούν σε κβαντικές συσκευές. Αυτή είναι και μια από τις μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις του εργαστηρίου: η αλληλεπίδραση φωτός με την ύλη όταν έχουμε λίγα φωτόνια, δηλαδή βασική έρευνα, την οποία στηρίζει πολύ ο Δρ. Στρατάκης και ενθαρρύνει τους νέους ερευνητές να ασχοληθούν μαζί της.

«Ποτέ μια μεγάλη ανακάλυψη δεν έγινε κατά παραγγελία! Η έρευνα ξεκινά από την περιέργεια και την κατανόηση, που σημαίνει επιστροφή στη βασική έρευνα. Κάνουμε μεγάλο λάθος στην Ευρώπη ρίχνοντας το βάρος στην εφαρμοσμένη έρευνα.. Πρέπει να δημιουργήσουμε μια δομή που να διασυνδέει τη βασική έρευνα με μεγάλες καινοτομίες, με άλλα λόγια να αλλάξουμε το μοντέλο των δομών έρευνας», καταλήγει ο Έλληνας επιστήμονας.

Σημείωση: Ο Δρ. Εμμανουήλ Στρατάκης από το 2015 είναι επιστημονικός υπεύθυνος της ευρωπαϊκής υποδομής νανοεπιστήμης του ΙΤΕ-ΙΗΔΛ (μέρος του NFFA-Europe EU Infrastructure), και μέλος της Γενικής Συνέλευσης. Είναι εθνικός εμπειρογνώμονας στην ομάδα της ΕΕ στους τομείς Νανοτεχνολογίας, Προηγμένων Υλικών, Βιοτεχνολογίας, Προηγμένης Κατασκευής και Επεξεργασίας, μέλος της Επιστημονικής Επιτροπής του COST και Fellow της Optica (πρώην Optical Society of America, OSA). Η Optica απονέμει τον τίτλο του Fellow σε λιγότερο από το 10% των μελών της τα οποία έχουν διακριθεί για τις υπηρεσίες τους στην πρόοδο της οπτικής και της φωτονικής. Η επιλογή γίνεται βάσει της διακεκριμένης συνεισφοράς σε τομείς όπως η εκπαίδευση, η έρευνα, η μηχανική, η επιχειρηματικότητα και η κοινωνική προσφορά.

#ΛΕΙΖΕΡ #ΙΤΕ