Работа учёных из Западного резервного университета Кейза, Технологического университета Роуза — Халмана и Исследовательской лаборатории военно-морского флота США основана на использовании GRIN, или попросту градиентной оптики, изучающей оптические свойства материалов, показатель преломления которых изменяется в зависимости от координат. В градиентной оптике световые лучи, проходя через линзу или любой другой прозрачный материал (даже неравномерно нагретый воздух), отражаются (или изгибаются) в различной степени на разных участках материала.

Как ни странно, но человеческий глаз не классическая линза, он не похож на ту оптику, что применяется в микроскопах или телескопах; зато это самая настоящая GRIN-линза.

Несмотря на кажущуюся сложность такого подхода, именно GRIN позволяет контролировать распространение световых лучей внутри глаза без создания громоздкой и сложной оптической системы. Это и попытались воспроизвести при разработке более «естественных» глазных линз герои нашей заметки.

Рис. 1. Искусственная GRID-линза, способная заменить хрусталик глаза: а и d — вид спереди и сзади; b/c и e/f — геометрический профиль обеих сторон. (Иллюстрация Optics Express).

Повторяя природу, учёные построили свою линзу методом поочерёдного нанесения тысяч наноразмерных слоёв, каждый из которых обладал несколько иными оптическими свойствами. Так и получилась линза, постепенно меняющая показатель преломления. Для нанесения самих слоёв использовался традиционный метод создания многослойных структур — мультислойная коэкструзия: несколько тысяч нанослоёв выдавливаются одновременно, формируя единую плёнку, затем несколько таких плёнок укладываются в стек.

Технология позволяет каждому слою иметь уникальный показатель преломления, а также предполагает создание любой послойной комбинации наноплёнок. В итоге, кроме самой линзы, удалось продемонстрировать ещё и простоту изготовления сложных GRIN-устройств, получить которые иными методами до сих пор не удавалось.

По словам учёных,

важнейшее преимущество GRIN-линз заключается в возможности создания гораздо более миниатюрных имплантируемых линз или других медицинских визуализирующих приборов (типа эндоскопов). Хочется верить, что получение настоящей копии линзы человеческого глаза — лишь первый этап, демонстрирующий преимущества новой нанотехнологичной линзы. Теперь придётся решать возможные проблемы с биосовместимостью используемого полимера. Кроме того, во внимание должны быть приняты и некоторые физические параметры, такие как деформируемость материала.

Рис. 2. Новые светособирающие пластиковые GRID-линзы в 3,5 раза мощнее стеклянных. Каждая состоит из 200 плёнок, образованных 4 000 коэкструзированных нанослоёв (итого — 800 000 нанослоёв). (Фото Michael Ponting).

Нынешние внутриглазные искусственные линзы, которые применяются, например, при лечении катаракты, при фокусировании светового потока в определённом месте сетчатки полагаются только на свою форму — подобно тому, как это принято при производстве контактных линз и очков. И это приводит к посредственным результатам, кои, конечно, лучше слепоты, но и только.

Замена GRIN-хрусталика на классическую внутриглазную линзу чревата возникновением аберраций и других нежелательных оптических эффектов.

Подробности создания новой GRIN-линзы можно найти в журнале Optics Express.