eng
Выпуск #9/2014
С.Кузьмин, В.Матвеев
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ БИОМЕДИЦИНСКИХ МАТЕРИАЛОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ БИОМЕДИЦИНСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Просмотры: 2632
Обсуждается возможность управления химическими реакциями посредством синхротронного излучения и создания наноструктурированных биомедицинских материалов и гибридных бионеорганических структур. Синхротрон для этих целей является универсальным инструментом, обес-
печивающим технологическую триаду: собственно технологию, аналитику и метрологию.
печивающим технологическую триаду: собственно технологию, аналитику и метрологию.
Теги: implants interference x-ray lithography nanofilters nanostructuring импланты интерференционная рентгеновская литография наноструктурирование нанофильтры
В НИИ физических проблем им. Ф.В.Лукина в течение ряда лет велись работы по изготовлению гемосовместимых имплантатов с помощью технологий, традиционных для микроэлектроники [2–4]. При изготовлении имплантатов с модифицированной поверхностью предпринимались также попытки использовать источники УФ-излучения для избирательной (по спектру излучения) модификации и "репарирования" поверхностей биомедицинских материалов, т.е. для радиационного управления фотохимическими процессами на поверхности материала.
Более широкие возможности для подобных медицинских целей [5] предоставляет источник синхротронного излучения "Зеленоград" – базовый элемент Центра высоких технологий НИИФП. Излучение синхротрона (СИ) имеет три важные характеристики – высокую интенсивность, широкий и легко перестраиваемый спектр в диапазоне от жесткого рентгеновского излучения до излучения с длиной волны примерно 1 мкм, а также возможность получения квазимонохроматического когерентного излучения с перестраиваемой длиной волны в области 1–100 нм. Эти характеристики позволяют, во-первых, осуществлять избирательные по спектру (селективные) фотохимические процессы на поверхности медицинских материалов в области оптимальной радиационной стимуляции той или иной фотохимической реакции и, во-вторых, осуществлять пространственное или поверхностное наноструктурирование биомедицинских материалов с помощью когерентного пространственно-структурированного синхротронного излучения (электромагнитного поля, формируемого в результате интерференции). Рассмотрим эти вопросы более подробно.
СИ как инструмент управления химическими реакциями на поверхности биомедицинских материалов
Практически вся современная химия является тепловой. Химическое превращение заключается в перестройке электронных орбит, происходящей за счет воздействия теплового движения, имеющего широкий энергетический спектр и распределенного по многим электронным структурам.
Специфичность, направленность химической реакции обеспечивается принципом самоорганизации, т.е. свойствами участвующих в процессах молекул и атомов при заданных макроскопических условиях. Инструменты управления тепловой реакцией ограничены и в целом малоспецифичны: это состав реакционной смеси, концентрация–давление, температура и катализатор. Результат проведенного химического процесса обычно характеризуется разнообразием продуктов, поскольку управляющие воздействия не отличаются высокой специфичностью.
В лазерной химии возникла концепция управления перестройкой электронной системы путем прямого адресного специфического воздействия на конкретный электрон электромагнитным излучением [6]. Монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида, при этом молекулы других видов остаются невозбужденными. Селективность возбуждения в этом процессе ограничена лишь степенью перекрытия полос в спектре поглощения вещества. Эта концепция существовала уже давно, начиная с изучения спектров веществ, но перспектива ее реализации появилась только с появлением мощных источников электромагнитного излучения.
Синхротронное излучение для этих целей имеет преимущество перед лазерным излучением – очень широкий непрерывный спектр, и из этого спектра можно выбрать любые частоты, или комбинацию частот, или спектр частот для целенаправленного воздействия на электронную систему и ее перестройки. Выделение из непрерывного спектра СИ нужной частоты или области частот можно, конечно, осуществлять с помощью монохроматора или набора фильтров. Однако неизбежные потери мощности излучения при такой фильтрации могут ограничить области реального технологического использования СИ для рассматриваемых целей. Еще более универсальным и более мощным инструментом является узкополосное (квазимонохроматическое) излучение с перестраиваемым спектром, так называемое ондуляторное излучение. Оно генерируется специализированными устройствами – ондуляторами, встраиваемыми в прямолинейные участки синхротрона (в том числе синхротрона "Зеленоград"), или ондуляторами, используемыми в качестве конечных устройств накачки и генерации излучения в первых рентгеновских лазерах на свободных электронах (РЛСЭ) [7]. Фактически ондуляторное излучение – это просто один из возможных типов СИ, характеристики которого формируются при движении электронов в периодических магнитных полях, создаваемых магнитной системой ондулятора.
Возможно также менее селективное неспецифическое возбуждение электронных систем излучением с широким рентгеновским спектром. Оно при воздействии на оболочки атомов будет приводить к возмущению обширного ряда электронных орбит атомов конкретного элемента и может оказаться эффективным для проведения некоторых электронных перестроений молекулярных (валентных) орбит.
СИ как инструмент радиационного наноструктурирования
биомедицинских материалов
Важнейшим технологическим применением СИ в медицине может стать пространственное или поверхностное наноструктурирование биомедицинских материалов. Реализация технологии радиационного наноструктурирования возможна только при использовании когерентного ондуляторного излучения. Степень когерентности излучения в основном связана с качественными параметрами электронного пучка в синхротроне или РЛСЭ. Синхротрон "Зеленоград" обеспечивает достаточную для технологии наноструктурирования когерентность пучка ондуляторного излучения только по одному направлению (1D-когерентность) [8]. Модернизированный синхротрон "Зеленоград" или синхротроны с очень высокими параметрами (например, синхротрон SLS, Швейцария) [9], а также РЛСЭ [7] обеспечивают 2D-когерентность. Суть радиационного наноструктурирования заключается в создании из пучка ондуляторного излучения с помощью схем интерференционной рентгенолитографии периодического 1D или 2D пространственного распределения электромагнитного поля с достаточно большой глубиной резкости. Такое пространственно структурированное поле воздействует на любой объект, помещенный в область действия этого поля, и вызывает модификацию малых областей объекта в периодической структуре.
Модификация – это:
• во-первых, локальная деструкция резиста с последующей обработкой (в том числе радиационной) биомедицинского материала через периодический массив наноотверстий в резистной маске (собственно интерференционная рентгенолитография);
• во-вторых, непосредственная радиационная деструкция материала с созданием перфорированной объемной структуры (фототравление) [11];
• в-третьих, физико-химические изменения свойств материала с созданием на поверхности упорядоченной гетерогенной или "зародышевой" структуры нанообластей с характеристиками, отличными от характеристик матрицы (в частности, для последующего выращивания на поверхности упорядоченных массивов наноэлементов или формирования самоорганизующихся наноструктур).
Схемы интерференционной
рентгеновской литографии
На ондуляторном излучении синхротрона "Зеленоград" в принципе могут быть реализованы две схемы интерференционной литографии – зеркальная и решеточная, обусловленные двумя способами разделения исходного пучка излучения на вторичные интерферирующие пучки. Причем для наноструктурирования биомедицинских материалов практически пригодна только решеточная схема.
В зеркальной схеме интерферируют два когерентных пучка, формируемые из одного исходного когерентного ондуляторного пучка отражением от двух плоских зеркал (рис.1).
Если θ – угол между интерферирующими пучками и λ – длина волны излучения, то, как известно [10], в области перекрытия пучков (в частности, в резисте) формируется стоячая электромагнитная волна с периодом
d = λ / 2 sin(θ/2). (1)
В соответствии с этой формулой даже в мягком рентгеновском диапазоне, например при λ = 10 нм и θ = 45° интерференционная рентгенолитография легко обеспечивала бы разрешение ~10 нм. Однако в рентгеновском диапазоне коэффициент отражения излучения от всех материалов очень мал и достигает близких к единице значений только при малых скользящих углах падения α < αс, где αс – критический угол полного внешнего отражения. Типичное значение этого угла на длине волны 1 нм составляет 1° [10]. Поэтому, как видно из рис.1, максимальный возможный угол между интерферирующими пучками не превышает величины 2αс и достижимое разрешение (по периоду d бинарной 1:1 структуры)
d > λ / 2 αс. (2)
Отсюда следует, что при использовании излучения с λ = 1 нм могут быть сформированы структуры с периодом всего лишь примерно 30 нм. И хотя использование многослойных интерференционных зеркал (например, Mo/Si-зеркал) позволяет сдвинуть границу литографического разрешения примерно до 10 нм, имеется важный фактор, ограничивающий использование зеркальной схемы в реальной технологии. Этот фактор – необходимость сильной монохроматизации рабочего пучка излучения ондулятора. Квазимонохроматический пучок со спектральной шириной Δλ/λ позволит сформировать не более λ/Δλ отчетливых интерференционных полос [10]. Таким образом, ондуляторное излучение с типичной шириной спектра 2,5% (Δλ/λ = 0,025, λ/Δλ = 40) позволит сформировать не более 40 полос (или матрицу 40 × 40 в случае 2D-литографии), что явно недостаточно для реальных технологических приложений. Дополнительная монохроматизация спектра ондуляторного излучения нежелательна из-за существенного уменьшения мощности излучения.
Более эффективной оказывается схема решеточной интерференционной рентгенолитографии (рис.2). В этой схеме роль зеркал, формирующих два вторичных интерферирующих пучка, выполняют две дифракционные решетки (см. рис.2). Важной особенностью схемы решеточной интерференционной литографии является ее полная ахроматичность, т.е. независимость периода стоячего электромагнитного поля от длины волны. В отличие от зеркальной схемы для каждой спектральной компоненты пучка формируется интерференционное поле с одним и тем же периодом. Эта особенность позволяет использовать всю ширину спектра ондуляторного излучения и формировать периодические структуры с очень большим числом элементов (~106 периодов по одному направлению). Ахроматичность схемы обусловлена тем, что изменение угла дифракции пучков α на решетках при изменении длины волны λ приводит к такому изменению углов θ между интерферирующими пучками, при котором остается неизменной результирующая интерференционная картина.
Действительно, угол α дифракции пучков 1-го порядка определяется известным выражением
sin α = λ/PX, (3)
где PX – период решеток, λ – длина волны. Поскольку угол между интерферирующими пучками θ = 2α, то в соответствии с (1) имеем
DX = λ/2 sin (θ/2) = λ/2 sin α. (4)
Из равенств (3) и (4) следует
DX = PX/2.
Таким образом, в схеме решеточной интерференционной 1D-литографии независимо от длины волны формируется одномерное стоячее электромагнитное поле, период которого вдвое меньше периода дифракционных решеток квазишаблона. Очевидно, что при использовании дифракционных пучков 2-го порядка получаем еще большее разрешение:
DX = PX/4.
При добавлении в схему, приведенную на рис.2, еще одной пары дифракционных решеток, расположенных перпендикулярно, получается оптическая схема интерференционной решеточной 2D-литографии, где интерферируют сразу четыре вторичных дифракционных пучка [11]. В результате формируется двумерное стоячее электромагнитное поле, которое является инструментом наноструктурирования обрабатываемого биомедицинского материала или его поверхности в различных технологических вариантах (собственно литография, фототравление и т.д.), о которых говорилось выше. Очень важное технологическое достоинство интерференционной рентгенолитографии – большая глубина резкости (более 100 мкм) – позволяет обходиться без динамической фокусировки в процессе наноструктурирования и снижает требования к планарности резистов и обрабатываемых биомедицинских материалов.
Синхротрон как аналитический инструмент исследования биомедицинских материалов
Хотя выше речь шла о технологических применениях СИ для обработки и изготовления биомедицинских материалов, не нужно забывать, что СИ – мощный инструмент аналитических исследований, которые в основном и ведутся в главных синхротронных центрах мира [12]. Если, например, говорить о наноструктурировании и стимуляции определенных физико-химических превращений, то СИ является, образно говоря, не только легко масштабируемым "радиационным резцом", с помощью которого можно изготовить многие типы наноструктурированных биомедицинских объектов, но также и своеобразной эталонной линейкой, ценой деления которой является длина волны излучения или его энергетические и временные параметры. Последнее обеспечивает прецизионную диагностику используемых технологических методов и сертификацию готовых биомедицинских изделий, особенно важную в силу специфичности проблемы взаимодействия биологических и небиологических поверхностей, связанной с методологическим затруднением описать живую и неживую материю в одних и тех же физических терминах (переменных) [13]. Хотя решения практических медицинских задач, по-видимому, еще долго будут находиться в области эмпирических знаний, очевидно, что для успешного развития последних необходимо развивать как можно более полное описание каждой из взаимодействующих частей в специфических для нее переменных, поскольку успех эмпирического подхода определяется способностью обеспечить воспроизводимость существенных условий проведения процесса, в частности физико-химических характеристик поверхности.
Иначе говоря, без использования мощных аналитических возможностей СИ (спектроскопических, дифракционных, микро- и наноскопических и других методов анализа свойств биомедицинских материалов и поверхностей) технология изготовления таких материалов, как и сами материалы, могут оказаться слишком "физичны" для медицины. Универсальность Центра высоких технологий на базе синхротрона "Зеленоград" позволяет организовать весь цикл изготовления, исследований и сертификации биомедицинских материалов в одном месте на одном технолого-аналитическом оборудовании. В этом случае снимаются все препятствия, связанные с хорошо известным тезисом "если нельзя измерить, то невозможно сделать".
Вообще, синхротрон может соединять в себе всю неразрывную технологическую триаду: собственно технологию, аналитику и метрологию – и представлять из себя универсальный инструмент для технологических исследований с целью построения изысканных физико-химических структур для биомедицинских материалов.
Перечисленные выше технологические возможности синхротрона "Зеленоград" могут, естественно, быть реализованы только в каких-то конкретных изделиях. Возможный перечень этих изделий представлен в таблице.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковальчук М.В. Конвергенция наук и технологий – прорыв в будущее. – Нанотехнологии и наноматериалы, федеральный интернет-портал, 2011, http://www.portalnano.ru/read/iInfrastructure/russia/nns/kiae/convergence kovalchuk.
2. Алёхин А.П., Врублевский А.И., Маркеев А.М., Романов Р.И., Неволин В.Н. О структуре и свойствах аморфных углеродсодержащих пленок, формируемых магнитоактивным СВЧ-плазменным осаждением. – Поверхность, 1996, №10, с.47.
3. Алёхин А.П., Кириленко А.Г., Лапшин Р.В. Морфология поверхности тонких углеродных пленок, осажденных из плазмы на полиэтилен низкой плотности. – Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2004, №2, с.3–9.
4. Алёхин A.П., Маркеев А.М., Тетюхин Д.В.,
Козлов Е.Н., Степанова М.А. Влияние физико-химических свойств поверхности титановых имплантатов и способов их модификации на показатели остеоинтеграции. – Клиническая стоматология, 2009, №3, с.3–5 .
5. Безручко С.М., Кузьмин С.М., Сергеев О.В., Спинко Н.В. Взаимодействие биологических и небиологических поверхностей, новые возможности исследований и технологий с применением синхротронного излучения. – Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011, №1, с.1–10.
6. Petrov A.K. Laser control of chemical reactions. Chemical application of free electron laser. – Keynote Reports in World Chemistry Congress, Bribane, Australia, 2001, р.44–47.
7. John N. Galayda, John Arthur, Daniel F. Ratner, and William E. White. X-ray free-electron lasers–present and future capabilities [Invited]. – J. Opt. Soc. Am., 2010, v.27, is.11, p.B106–B118.
8. Валентинов А.Г., Корчуганов В.Н., Кулипанов Г.Н., Левичев Е.Б., Ушаков В.А. Параметры ТНК специализированного источника синхротронного излучения. – Новосибирск: Институт ядерной физики СО АН СССР. Препринт 90-129 (с дополнениями), 1990 (2008).
9. Solak H.H., David C., Gobrecht J., Golovkina V., Cerrina F., Kim S.O., Nealey P.F. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. – Microelectronic Engineering, 2003, v.67–68, p.56–62,
10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1973.
11. Патент № 2446863, Россия, 2010. Способ изготовления мембранного фильтра / Кузьмин С.М., Матвеев В.М., Мишачёв В.И., Сергеев О.В.
12. Science and Technology of Future Light Sources. – A White Paper, by Ed. A.L. Robinson and B. Plummer. December, 2008. – http://www.als.lbl.gov/als/publications/4LabWhitePaper.pdf .
13. Thull R. Physicochemical principles of tissue material interaction. – Biomolecular Engineering, 2002, v.19, is.2–6, р.43–50.
Более широкие возможности для подобных медицинских целей [5] предоставляет источник синхротронного излучения "Зеленоград" – базовый элемент Центра высоких технологий НИИФП. Излучение синхротрона (СИ) имеет три важные характеристики – высокую интенсивность, широкий и легко перестраиваемый спектр в диапазоне от жесткого рентгеновского излучения до излучения с длиной волны примерно 1 мкм, а также возможность получения квазимонохроматического когерентного излучения с перестраиваемой длиной волны в области 1–100 нм. Эти характеристики позволяют, во-первых, осуществлять избирательные по спектру (селективные) фотохимические процессы на поверхности медицинских материалов в области оптимальной радиационной стимуляции той или иной фотохимической реакции и, во-вторых, осуществлять пространственное или поверхностное наноструктурирование биомедицинских материалов с помощью когерентного пространственно-структурированного синхротронного излучения (электромагнитного поля, формируемого в результате интерференции). Рассмотрим эти вопросы более подробно.
СИ как инструмент управления химическими реакциями на поверхности биомедицинских материалов
Практически вся современная химия является тепловой. Химическое превращение заключается в перестройке электронных орбит, происходящей за счет воздействия теплового движения, имеющего широкий энергетический спектр и распределенного по многим электронным структурам.
Специфичность, направленность химической реакции обеспечивается принципом самоорганизации, т.е. свойствами участвующих в процессах молекул и атомов при заданных макроскопических условиях. Инструменты управления тепловой реакцией ограничены и в целом малоспецифичны: это состав реакционной смеси, концентрация–давление, температура и катализатор. Результат проведенного химического процесса обычно характеризуется разнообразием продуктов, поскольку управляющие воздействия не отличаются высокой специфичностью.
В лазерной химии возникла концепция управления перестройкой электронной системы путем прямого адресного специфического воздействия на конкретный электрон электромагнитным излучением [6]. Монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида, при этом молекулы других видов остаются невозбужденными. Селективность возбуждения в этом процессе ограничена лишь степенью перекрытия полос в спектре поглощения вещества. Эта концепция существовала уже давно, начиная с изучения спектров веществ, но перспектива ее реализации появилась только с появлением мощных источников электромагнитного излучения.
Синхротронное излучение для этих целей имеет преимущество перед лазерным излучением – очень широкий непрерывный спектр, и из этого спектра можно выбрать любые частоты, или комбинацию частот, или спектр частот для целенаправленного воздействия на электронную систему и ее перестройки. Выделение из непрерывного спектра СИ нужной частоты или области частот можно, конечно, осуществлять с помощью монохроматора или набора фильтров. Однако неизбежные потери мощности излучения при такой фильтрации могут ограничить области реального технологического использования СИ для рассматриваемых целей. Еще более универсальным и более мощным инструментом является узкополосное (квазимонохроматическое) излучение с перестраиваемым спектром, так называемое ондуляторное излучение. Оно генерируется специализированными устройствами – ондуляторами, встраиваемыми в прямолинейные участки синхротрона (в том числе синхротрона "Зеленоград"), или ондуляторами, используемыми в качестве конечных устройств накачки и генерации излучения в первых рентгеновских лазерах на свободных электронах (РЛСЭ) [7]. Фактически ондуляторное излучение – это просто один из возможных типов СИ, характеристики которого формируются при движении электронов в периодических магнитных полях, создаваемых магнитной системой ондулятора.
Возможно также менее селективное неспецифическое возбуждение электронных систем излучением с широким рентгеновским спектром. Оно при воздействии на оболочки атомов будет приводить к возмущению обширного ряда электронных орбит атомов конкретного элемента и может оказаться эффективным для проведения некоторых электронных перестроений молекулярных (валентных) орбит.
СИ как инструмент радиационного наноструктурирования
биомедицинских материалов
Важнейшим технологическим применением СИ в медицине может стать пространственное или поверхностное наноструктурирование биомедицинских материалов. Реализация технологии радиационного наноструктурирования возможна только при использовании когерентного ондуляторного излучения. Степень когерентности излучения в основном связана с качественными параметрами электронного пучка в синхротроне или РЛСЭ. Синхротрон "Зеленоград" обеспечивает достаточную для технологии наноструктурирования когерентность пучка ондуляторного излучения только по одному направлению (1D-когерентность) [8]. Модернизированный синхротрон "Зеленоград" или синхротроны с очень высокими параметрами (например, синхротрон SLS, Швейцария) [9], а также РЛСЭ [7] обеспечивают 2D-когерентность. Суть радиационного наноструктурирования заключается в создании из пучка ондуляторного излучения с помощью схем интерференционной рентгенолитографии периодического 1D или 2D пространственного распределения электромагнитного поля с достаточно большой глубиной резкости. Такое пространственно структурированное поле воздействует на любой объект, помещенный в область действия этого поля, и вызывает модификацию малых областей объекта в периодической структуре.
Модификация – это:
• во-первых, локальная деструкция резиста с последующей обработкой (в том числе радиационной) биомедицинского материала через периодический массив наноотверстий в резистной маске (собственно интерференционная рентгенолитография);
• во-вторых, непосредственная радиационная деструкция материала с созданием перфорированной объемной структуры (фототравление) [11];
• в-третьих, физико-химические изменения свойств материала с созданием на поверхности упорядоченной гетерогенной или "зародышевой" структуры нанообластей с характеристиками, отличными от характеристик матрицы (в частности, для последующего выращивания на поверхности упорядоченных массивов наноэлементов или формирования самоорганизующихся наноструктур).
Схемы интерференционной
рентгеновской литографии
На ондуляторном излучении синхротрона "Зеленоград" в принципе могут быть реализованы две схемы интерференционной литографии – зеркальная и решеточная, обусловленные двумя способами разделения исходного пучка излучения на вторичные интерферирующие пучки. Причем для наноструктурирования биомедицинских материалов практически пригодна только решеточная схема.
В зеркальной схеме интерферируют два когерентных пучка, формируемые из одного исходного когерентного ондуляторного пучка отражением от двух плоских зеркал (рис.1).
Если θ – угол между интерферирующими пучками и λ – длина волны излучения, то, как известно [10], в области перекрытия пучков (в частности, в резисте) формируется стоячая электромагнитная волна с периодом
d = λ / 2 sin(θ/2). (1)
В соответствии с этой формулой даже в мягком рентгеновском диапазоне, например при λ = 10 нм и θ = 45° интерференционная рентгенолитография легко обеспечивала бы разрешение ~10 нм. Однако в рентгеновском диапазоне коэффициент отражения излучения от всех материалов очень мал и достигает близких к единице значений только при малых скользящих углах падения α < αс, где αс – критический угол полного внешнего отражения. Типичное значение этого угла на длине волны 1 нм составляет 1° [10]. Поэтому, как видно из рис.1, максимальный возможный угол между интерферирующими пучками не превышает величины 2αс и достижимое разрешение (по периоду d бинарной 1:1 структуры)
d > λ / 2 αс. (2)
Отсюда следует, что при использовании излучения с λ = 1 нм могут быть сформированы структуры с периодом всего лишь примерно 30 нм. И хотя использование многослойных интерференционных зеркал (например, Mo/Si-зеркал) позволяет сдвинуть границу литографического разрешения примерно до 10 нм, имеется важный фактор, ограничивающий использование зеркальной схемы в реальной технологии. Этот фактор – необходимость сильной монохроматизации рабочего пучка излучения ондулятора. Квазимонохроматический пучок со спектральной шириной Δλ/λ позволит сформировать не более λ/Δλ отчетливых интерференционных полос [10]. Таким образом, ондуляторное излучение с типичной шириной спектра 2,5% (Δλ/λ = 0,025, λ/Δλ = 40) позволит сформировать не более 40 полос (или матрицу 40 × 40 в случае 2D-литографии), что явно недостаточно для реальных технологических приложений. Дополнительная монохроматизация спектра ондуляторного излучения нежелательна из-за существенного уменьшения мощности излучения.
Более эффективной оказывается схема решеточной интерференционной рентгенолитографии (рис.2). В этой схеме роль зеркал, формирующих два вторичных интерферирующих пучка, выполняют две дифракционные решетки (см. рис.2). Важной особенностью схемы решеточной интерференционной литографии является ее полная ахроматичность, т.е. независимость периода стоячего электромагнитного поля от длины волны. В отличие от зеркальной схемы для каждой спектральной компоненты пучка формируется интерференционное поле с одним и тем же периодом. Эта особенность позволяет использовать всю ширину спектра ондуляторного излучения и формировать периодические структуры с очень большим числом элементов (~106 периодов по одному направлению). Ахроматичность схемы обусловлена тем, что изменение угла дифракции пучков α на решетках при изменении длины волны λ приводит к такому изменению углов θ между интерферирующими пучками, при котором остается неизменной результирующая интерференционная картина.
Действительно, угол α дифракции пучков 1-го порядка определяется известным выражением
sin α = λ/PX, (3)
где PX – период решеток, λ – длина волны. Поскольку угол между интерферирующими пучками θ = 2α, то в соответствии с (1) имеем
DX = λ/2 sin (θ/2) = λ/2 sin α. (4)
Из равенств (3) и (4) следует
DX = PX/2.
Таким образом, в схеме решеточной интерференционной 1D-литографии независимо от длины волны формируется одномерное стоячее электромагнитное поле, период которого вдвое меньше периода дифракционных решеток квазишаблона. Очевидно, что при использовании дифракционных пучков 2-го порядка получаем еще большее разрешение:
DX = PX/4.
При добавлении в схему, приведенную на рис.2, еще одной пары дифракционных решеток, расположенных перпендикулярно, получается оптическая схема интерференционной решеточной 2D-литографии, где интерферируют сразу четыре вторичных дифракционных пучка [11]. В результате формируется двумерное стоячее электромагнитное поле, которое является инструментом наноструктурирования обрабатываемого биомедицинского материала или его поверхности в различных технологических вариантах (собственно литография, фототравление и т.д.), о которых говорилось выше. Очень важное технологическое достоинство интерференционной рентгенолитографии – большая глубина резкости (более 100 мкм) – позволяет обходиться без динамической фокусировки в процессе наноструктурирования и снижает требования к планарности резистов и обрабатываемых биомедицинских материалов.
Синхротрон как аналитический инструмент исследования биомедицинских материалов
Хотя выше речь шла о технологических применениях СИ для обработки и изготовления биомедицинских материалов, не нужно забывать, что СИ – мощный инструмент аналитических исследований, которые в основном и ведутся в главных синхротронных центрах мира [12]. Если, например, говорить о наноструктурировании и стимуляции определенных физико-химических превращений, то СИ является, образно говоря, не только легко масштабируемым "радиационным резцом", с помощью которого можно изготовить многие типы наноструктурированных биомедицинских объектов, но также и своеобразной эталонной линейкой, ценой деления которой является длина волны излучения или его энергетические и временные параметры. Последнее обеспечивает прецизионную диагностику используемых технологических методов и сертификацию готовых биомедицинских изделий, особенно важную в силу специфичности проблемы взаимодействия биологических и небиологических поверхностей, связанной с методологическим затруднением описать живую и неживую материю в одних и тех же физических терминах (переменных) [13]. Хотя решения практических медицинских задач, по-видимому, еще долго будут находиться в области эмпирических знаний, очевидно, что для успешного развития последних необходимо развивать как можно более полное описание каждой из взаимодействующих частей в специфических для нее переменных, поскольку успех эмпирического подхода определяется способностью обеспечить воспроизводимость существенных условий проведения процесса, в частности физико-химических характеристик поверхности.
Иначе говоря, без использования мощных аналитических возможностей СИ (спектроскопических, дифракционных, микро- и наноскопических и других методов анализа свойств биомедицинских материалов и поверхностей) технология изготовления таких материалов, как и сами материалы, могут оказаться слишком "физичны" для медицины. Универсальность Центра высоких технологий на базе синхротрона "Зеленоград" позволяет организовать весь цикл изготовления, исследований и сертификации биомедицинских материалов в одном месте на одном технолого-аналитическом оборудовании. В этом случае снимаются все препятствия, связанные с хорошо известным тезисом "если нельзя измерить, то невозможно сделать".
Вообще, синхротрон может соединять в себе всю неразрывную технологическую триаду: собственно технологию, аналитику и метрологию – и представлять из себя универсальный инструмент для технологических исследований с целью построения изысканных физико-химических структур для биомедицинских материалов.
Перечисленные выше технологические возможности синхротрона "Зеленоград" могут, естественно, быть реализованы только в каких-то конкретных изделиях. Возможный перечень этих изделий представлен в таблице.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковальчук М.В. Конвергенция наук и технологий – прорыв в будущее. – Нанотехнологии и наноматериалы, федеральный интернет-портал, 2011, http://www.portalnano.ru/read/iInfrastructure/russia/nns/kiae/convergence kovalchuk.
2. Алёхин А.П., Врублевский А.И., Маркеев А.М., Романов Р.И., Неволин В.Н. О структуре и свойствах аморфных углеродсодержащих пленок, формируемых магнитоактивным СВЧ-плазменным осаждением. – Поверхность, 1996, №10, с.47.
3. Алёхин А.П., Кириленко А.Г., Лапшин Р.В. Морфология поверхности тонких углеродных пленок, осажденных из плазмы на полиэтилен низкой плотности. – Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2004, №2, с.3–9.
4. Алёхин A.П., Маркеев А.М., Тетюхин Д.В.,
Козлов Е.Н., Степанова М.А. Влияние физико-химических свойств поверхности титановых имплантатов и способов их модификации на показатели остеоинтеграции. – Клиническая стоматология, 2009, №3, с.3–5 .
5. Безручко С.М., Кузьмин С.М., Сергеев О.В., Спинко Н.В. Взаимодействие биологических и небиологических поверхностей, новые возможности исследований и технологий с применением синхротронного излучения. – Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011, №1, с.1–10.
6. Petrov A.K. Laser control of chemical reactions. Chemical application of free electron laser. – Keynote Reports in World Chemistry Congress, Bribane, Australia, 2001, р.44–47.
7. John N. Galayda, John Arthur, Daniel F. Ratner, and William E. White. X-ray free-electron lasers–present and future capabilities [Invited]. – J. Opt. Soc. Am., 2010, v.27, is.11, p.B106–B118.
8. Валентинов А.Г., Корчуганов В.Н., Кулипанов Г.Н., Левичев Е.Б., Ушаков В.А. Параметры ТНК специализированного источника синхротронного излучения. – Новосибирск: Институт ядерной физики СО АН СССР. Препринт 90-129 (с дополнениями), 1990 (2008).
9. Solak H.H., David C., Gobrecht J., Golovkina V., Cerrina F., Kim S.O., Nealey P.F. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. – Microelectronic Engineering, 2003, v.67–68, p.56–62,
10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1973.
11. Патент № 2446863, Россия, 2010. Способ изготовления мембранного фильтра / Кузьмин С.М., Матвеев В.М., Мишачёв В.И., Сергеев О.В.
12. Science and Technology of Future Light Sources. – A White Paper, by Ed. A.L. Robinson and B. Plummer. December, 2008. – http://www.als.lbl.gov/als/publications/4LabWhitePaper.pdf .
13. Thull R. Physicochemical principles of tissue material interaction. – Biomolecular Engineering, 2002, v.19, is.2–6, р.43–50.
Отзывы читателей
