​Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным диапазоном и радиодиапазоном. Оно хорошо проходит через множество материалов и, более того, безопасно для человека, что открывает целый спектр возможных применений этой технологии.

Активно работают в этом направлении учёные Университета ИТМО. Например, в сотрудничестве с коллегами из Франции они занимаются разработкой импульсного терагерцового спектрометра, который поможет в анализе и реставрации предметов искусства. Подробнее о проекте, а также о том, как именно терагерцы позволяют анализировать живописные полотна, — в нашем материале.

Биомедицина, контроль качества продуктов и не только: над какими исследованиями работают учёные Университета ИТМО

В Университете ИТМО создают методы и приборы на основе терагерцового излучения для биомедицинской диагностики, контроля качества продуктов питания и исследования арт-объектов. В частности, такими исследованиями занимаются сотрудники Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, созданного в 2013 году в рамках программы Министерства науки и образования РФ.

В его состав входит несколько международных лабораторий, в том числе лаборатория цифровой и изобразительной голографии и лаборатория фемтосекундной оптики и фемтотехнологий, где также работает научная группа по фемтомедицине под руководством Ольги Смолянской, доцента факультета фотоники и оптоинформатики. Как отмечает исследователь, сейчас группа сотрудничает с широким спектром научных центров и организаций. Среди них ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России, Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Петрова, Научный центр «Биотехнологии третьего тысячелетия», с которым осуществляются совместные проекты по контролю качества пищевых продуктов, а также Санкт-Петербургский государственный институт культуры.

Кроме того, научная группа работает и с ведущими терагерцовыми лабораториями России. В 2017 году исследователи выиграли грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), в рамках которого ведётся сотрудничество с терагерцовыми лабораториями МГУ, ТГУ и Нижегородского ИФМ (# 17-00-00275). Руководит работой, которая посвящена детектированию информативных признаков социально значимых заболеваний с помощью терагерцового излучения, один из ведущих российский специалистов в области терагерцовых технологий Александр Шкуринов.

Как объясняет Ольга Смолянская, широкополосное терагерцовое излучение, прошедшее или отражённое от объекта, несёт большой объем информации как о внутренней структуре, так и о его спектральных свойствах, благодаря наличию спектральных линий молекул, входящих в состав объектов (например, биологические ткани, пищевые продукты, лакокрасочные покрытия живописных полотен) и их компонентов. Кроме того, анализ таких объектов и их компонентов терагерцовым излучением является идеальной неконтактной, неионизирующей, безопасной технологией неразрушающего контроля.

Основное конкурентное преимущество разрабатываемых методик терагерцового анализа – это возможность за однократное сканирование произвести полный цикл исследований, включающий в себя определение спектральных свойств материалов, дающее возможность качественного или количественного детектирования потенциально опасных компонентов, и томографическую визуализацию локализации нежелательных объектов.

«Использование терагерцового излучения для определения параметров безопасности объектов позволяет снизить продолжительность анализа и при этом снизить затраты на проведение испытаний. Предлагаемые технологии позволят в десятки и сотни раз увеличить количество анализируемых образцов пищевой продукции, обеспечить потоковый неразрушающий контроль упаковочной единицы промышленной упаковки (без вскрытия упаковки). Это может применяться на производстве, таможенном контроле, при дефектоскопии картин живописи, а также при проведении лабораторной диагностики социально значимых заболеваний», — говорит Ольга Смолянская.

Международная коллаборация

Уже несколько лет учёные Университета ИТМО работают со специалистами IMS лаборатории, которая располагается в городе Бордо (Франция). Сотрудничество началось в 2016 году после участия в 42-й конференции по терагерцовым, инфракрасным и миллиметровым волнам (41 IRMMW-THz).

Первая совместная научная работа российских и французских учёных была посвящена исследованию оптических свойств in vitro плазмы крови лабораторных животных с развивающейся карциномой Эрлиха в терагерцовом диапазоне частот. По итогам исследований учёные разработали пакет прикладных программ, позволяющий численно моделировать фантомы биологических образцов сложной структуры, а также решать задачу расчёта параметров отражённой от этих фантомов электромагнитной волны терагерцового диапазона частот. Однако с тех пор в процессе развития сотрудничества между двумя лабораториями исследователи существенно расширили круг совместных научных интересов.

«Сейчас я могу с уверенностью сказать, что терагерцовые технологии находятся на пике своей популярности и наша научная группа выходит на новый, международный уровень работы. Так, в 2018 году я выиграла российско-французский грант, поддержанный фондом РФФИ и CNRS (#18-51-16002), и наши французские коллеги помогают нам сформировать более широкие перспективы научных исследований в области терагерцовых технологий», — рассказывает Ольга Смолянская.

В рамках совместного гранта от РФФИ и правительства Франции Университет ИТМО вместе с Университетом Бордо планирует собрать базу данных электродинамических характеристик компонентов биоподобных объектов, разработать прототипы портативных ТГц устройств для диагностики реальных объектов, а также разработать для них программное обеспечение.

В лаборатории фемтомедицины Университета ИТМО учёные совместно с коллегами из IMS Лаборатории Университета Бордо во Франции работают над созданием терагерцовых устройств и систем дефектоскопии живописи. В исследовании также заинтересованы сотрудники Эрмитажа, Русского Музея, Российской Академии художеств им. И.Е. Репина и Института культуры в Санкт-Петербурге.

«Сотрудничество с Университетом ИТМО очень интересно, потому что наши команды уже много лет работают в области терагерцовых технологий и имеют взаимодополняющие подходы и специализации. Это позволяет нам эффективно работать совместно, например, проводя измерения в лаборатории, оснащённой оборудованием, адаптированным к образцам, — комментирует Жан-Поль Гийе, доцент лаборатории IMS Университета Бордо. — После совместной работы наших университетов в области биомедицинских областей, методов визуализации и голографии теперь мы можем сосредоточиться на приложениях для применения этих технологий для сохранения предметов искусства. Мы показали, что можно проанализировать картину, изучив все её слои, а также обнаружить структурные дефекты, которые необходимо будет исправить в ходе реставрационных работ».

Как именно терагерцовые технологии помогают реставраторам

По словам Татьяны Шлыковой, доцента кафедры реставрации и экспертизы объектов культуры СпбГИК, специалисты в области сохранения объектов культурного наследия – реставраторы – видят преимущества применения терагерцового излучения в работе с объектами прежде всего в том, что это даёт возможности диагностики и экспертизы объектов, зачастую недоступные другим методам исследования.

«Хорошо известно, что специалист не вправе приступить к реставрации объекта, не проведя предварительно всесторонних исследований – их данные во многом определяют программу реставрации. Терагерцовое излучение позволяет «увидеть» перекрывающие друг друга слои, что, в свою очередь, помогает выявить скрытые надписи, авторскую поверхность под позднейшими реставрационными записями, загрязнениями, наслоениями различного характера. Все это важно в реставрации и исследовании как живописи, так и памятников декоративно-прикладного искусства», — комментирует эксперт.

Терагерцовые датчики, благодаря которым специалисты могут исследовать полотна, основаны на различных технологических платформах, рассказывает Дон Арнон, директор компании TeraView ltd. (Cambridge, UK). В настоящее время технология, наиболее полезная для анализа художественных работ, основана на использовании легкодоступных («готовых») лазеров видимого диапазона в сочетании с полупроводниковой технологией. Этот метод также позволяет создавать трёхмерные изображения, которые можно использовать для изучения различных слоёв картины.

Преимущество терагерцовых технологий над другими методами

По словам Жана-Поля Гийе, метод анализа живописных полотен, основанный на использовании терагерцового излучения, существенно превосходит традиционно использующиеся сегодня методы анализа по ряду параметров.

Так, многие традиционные методы, которые годами использовались для анализа предметов искусства и определениях их подлинности, предполагают удаление фрагмента картины или химический анализ, разрушающий часть полотна. Использование терагерцовых технологий исключает повреждение картины.

Кроме того, в отличие от ультразвукового исследования, при котором используются датчики, касающиеся картины, в процессе анализа с использованием терагерцовых технологий контакт с полотном полностью исключён. Это также помогает избежать повреждения предмета искусства.

И наконец, терагерцовые технологии безопасны. За счёт использования очень низких уровней мощности удаётся избегать нагрева поверхности полотна. Также, в отличие от рентгеновского излучения, которое использует ионизирующее излучение, ТГц излучение безопасно для человека.

Елена Меньшикова

Похожие новости

  • 27/11/2017

    Композиционный материал из графена и дисульфида ванадия повысит емкость и скорость заряда литий-ионных батарей

    ​Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН совместно с коллегами из СФУ и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» предложили использовать соединение графена с монослоем дисульфидом ванадия в качестве анодного материала для литий-ионных батарей.
    1640
  • 23/09/2019

    В России создали диагностическое оборудование для ITER

    ​Российские ученые разработали диагностическое оборудование для Международного экспериментального ядерного реактора ITER, которое может работать в экстремальных условиях. Это ускорит процесс строительства нового, более экологичного и безопасного источника энергии.
    255
  • 18/08/2017

    Российские и французские ученые разработали уникальный детектор нейтронов

    ​Ученые из Объединенного института ядерных исследований вместе с коллегами из Орсе (Франция) разработали уникальный детектор нейтронов и с его помощью определили вероятность радиоактивного (нейтронного) распада атомных ядер легких химических элементов.
    908
  • 05/10/2017

    Анатолий Деревянко: «Денисовский человек известен во всем мире»

    Открытие неизвестного ранее вида человека – Homoaltaiensis (человека алтайского), или денисовского человека, сделанное под руководством академика А.П. Деревянко, стало мировой научной сенсацией, которая, по версии журнала Science, заняла второе место по значимости после обнаружения бозона Хиггса.
    2219
  • 29/12/2018

    Российские ученые рассмотрели новый сценарий эволюции барионной асимметрии Вселенной

    ​Ученые из Новосибирского государственного университета и Института теоретической и экспериментальной физики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» рассмотрели новый сценарий эволюции барионной асимметрии Вселенной — ситуации, при которой в ней много больше вещества, чем антивещества.
    946
  • 25/10/2016

    Экспериментальная установка покажет, как бороться с перегревом термоядерного реактора

    Ученые Института ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН), Московского энергетического института (НИУ МЭИ) и ОИВТ РАН создали экспериментальный стенд РК-3, на котором будут проводиться исследования гидродинамики и теплообмена жидкометаллических теплоносителей в условиях ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor) и других термоядерных реакторов-токамаков.
    1623
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    491
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    594
  • 14/01/2016

    Наноструктурные агенты - для новой противораковой терапии

    ​Международная группа исследователей из России, Словении, Германии, США и Израиля во главе с учеными из Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН и Томского политехнического университета (ТПУ) уже несколько лет успешно работает в области применения нанотехнологий для подавления роста раковых клеток.
    2384
  • 08/02/2018

    Десять открытий российских ученых, которые потрясли мир

    ​​Более 70% россиян не в состоянии назвать ни одного научного достижения в стране за последние десятилетия - таковы результаты социологического исследования ВЦИОМ, выполненного ко Дню российской науки.
    1184