Проект: Разработка технологии изготовления одномерных фотонных кристаллов анодированного оксида алюминия

В ходе выполнения проекта будет отработана технология изготовления подложек из пористого анодированного оксида алюминия (ПАОА) с модулированным размером пор. Будут разработаны маршрутные карты процесса получения ПАОА, в том числе подготовки исходного алюминия, анодирования, травления, отжига. Будут синтезированы образцы фотонных кристаллов на основе ПАОА с отражением на заданных длинах волн (355 нм, 532 нм, 633 нм, 1064 нм). Легкость управления процессом формирования наноструктурного профиля ПАОА, прозрачность и самоупорядоченность делают его универсальным объектом исследования в области создания фотонных кристаллов и метаматериалов с нанонитями, а также нанофлюидных реакторов.

Проект направлен на разработку технологии получения фотонных кристаллов (ФК) на основе анодированного оксида алюминия (ПАОА). Одномерные фотонные кристаллы на основе пористого анодированного оксида алюминия находят множество применений в оптотехнике (узкополосные notch-фильтры), молекулярной сенсорике и темплатном синтезе наночастиц. Их стоимость при массовом производстве может быть существенно снижена, что делает возможным применение таких материалов в устройствах одноразового применения (например, молекулярные сенсоры). В рамках проекта предлагается создавать одномерные фотонные кристаллы, которые будут применяться в качестве твердофазного носителя для для фотоактивационного синтеза олигонуклеотидов (работы будут выполняться в рамках ГЗ). Управление лазерным источником света может осуществляться намного быстрее и точнее, чем механическое перемещение печатающей каретки. При этом в местах "засвета" может вызываться химическая реакция, приводящая к активации на поверхности пор групп, через которые происходит присоединение амидофосфитов. В случае успешного применения плотность синтеза может возрасти до 10000 спотов/см^2. Также будут проведены поисковые исследования по применению фотонных кристаллов в других областях (фотокатализ, молекулярная сенсорика).

В ходе реализации проекта будет разработана установка для электрохимического синтеза мембран на основе пористого анодированного оксида алюминия (ПАОА) с модулированным диаметром пор и программное обеспечение для управления источником питания. Будут оптимизированы режимы анодирования, а также процессов травления и температурного отжига для создания фотонных кристаллов с требуемыми характеристиками. Проведено моделирование структуры фотонного кристалла с целью минимизации светорассеяния.

Проектирование узлов установки будет выполняться в САПР SolidWorks с последующим изготовлением деталей методом 3D печати. Режимы анодирования (в т.ч. модуляции) будут задаваться в разрабатываемом ПО, управляющего программируемым источником питания. Контроль создаваемых материалов будет осуществляться методами растровой электронной микроскопии и спектрофотометрии. Режимы отжига будут оптимизироваться на основе фазового состава мембран, полученного из рентгенофазового анализа. Функционализация поверхности пор будет выполняться методами химического прививания производными алкоксисиланов. Концентрация функциональных групп будет определяться методами оптической спектроскопии по калибровочным зависимостям.

Ранее нами было показано, что функционализированные мембраны ПАОА могут быть использованы в качестве твердотельного носителя для синтеза олигонуклеотидов. Поэтому ожидается, что аналогичные подложки, но с модулированным диаметром пор также будут применимы для этих же задач. Однако наибольший интерес представляет возможность выполнять фотоактивационный синтез олигонуклеотидов. Для этих задач фотонные пики ФК должны быть согласованы с длиною волны управляемого лазерного излучения с целью снижения светорассеяния на длине волны возбуждения. В этом случае поры ПАОА, наполненные жидкостью будут выступать в качестве волновода, что снизит паразитную засветку соседних спотов, тем самым позволяя увеличить плотность спотов. Такой способ применения фотонных кристаллов в литературе не упоминается. Таким образом, фотонные кристаллы на основе пористого анодированного оксида алюминия представляются перспективными материалами, а их синтез является актуальным.

В рамках реализации проекта ФНТП «Разработка технологии субмикролитрового дозирования жидкостей для задач инженерной биологии, создание и практическая апробация опытного образца системы автоматического синтеза олигонуклеотидов на ее основе» в качестве материалов подложек для выполнения синтеза были предложены различные материалы (органические полимеры на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полистирола, фенолформальдегидных и эпоксидных смол, кремний и ПАОА). В ходе испытаний было установлено, что из предложенного ряда материалов пористый анодированный оксид алюминия дает наилучшие результаты и позволяет осуществлять рост олигонуклеотидов с использованием стандартных реагентов и протоколов синтеза. В рамках государственного задания №FEWM-2024-0001 "Пористые мембраны для задач молекулярной биологии и синтез на их основе олигонуклеотидов" (2024-2026 гг), а также в рамках ПИШ “Разработка экспериментальной установки синтеза пористых мембран для задач генетических технологий” ведутся работы по совершенствованию установки для синтеза, а также по синтезу мембран ПАОА. Получен патент на изобретение №2819628 Модуль размещения подложки для твердофазного синтеза олигонуклеотидов, а также положительное решение по заявке 2023128139/04(062574) Способ получения подложки для массового параллельного синтеза олигонуклеотидов.

На российском рынке фотонные кристаллы на основе ПАОА отсутствуют, при этом есть группы, работающие в этом направлении (группа электрохимического наноструктурирования, МГУ, Москва; кафедра химии и химической технологии материалов, СГТУ, Саратов). Однако объемы производства ограничены собственными потребностями для решения исследовательских задач. На рынке представлены решения иностранных компаний (Whatman® Anodisc, SPI® ANOPORE, InRedox®). Однако предлагаются мембраны лишь с постоянным размером пор. Цены на такие материалы начинаются от 300 тыс.рублей за 100 мембран диаметром 25 мм. Стоимость для конечного потребителя предлагаемых в данном проекте материалов оценивается в 80 тыс. рублей за 100 мембран диаметром 25 мм.