Классификация фотонных кристаллов

Фотонные кристаллы по характеру изменения коэффициента преломления можно разделить на три основных класса: 1. одномерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении как показано на рис. I.20. На этом рисунке символом Λ обозначен период изменения коэффициента преломления, n1 и n2 — показатели преломления двух материалов (но в общем случае может присутствовать любое число материалов). Такие фотонные кристаллы состоят из параллельных друг другу слоев различных материалов с разными коэффициентами преломления и могут проявлять свои свойства в одном пространственном направлении, перпендикулярном слоям.

2. двухмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в двух пространственных направлениях, и форма областей с коэффициентом преломления n1 не ограничивается прямоугольниками, а может быть любой (окружности, эллипсы и т. д.). 3. трёхмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в трёх пространственных направлениях. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в трёх пространственных направлениях, и их можно представить как массив объёмных областей (сфер, кубов и т. д.), упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке. Как и электрические среды, в зависимости от ширины запрещённых и разрешённых зон, фотонные кристаллы можно разделить на проводники — способные проводить свет на большие расстояния с малыми потерями, диэлектрики — практически идеальные зеркала, полупроводники — вещества способные, например, выборочно отражать фотоны определённой длины волны и сверхпроводники, в которых благодаря коллективным явлениям фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния. Также различают резонансные и нерезонансные фотонные кристаллы. Резонансные фотонные кристаллы отличаются от нерезонансных тем, что в них используются материалы, у которых диэлектрическая проницаемость (или коэффициент преломления) как функция частоты имеет полюс на некоторой резонансной частоте. С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах, и предполагается, что:

• Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и безпороговые лазеры;

• Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми потерями (рис. I.19б,в);

• С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным коэффициентом преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»);

 • Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создать суперпризмы;

• Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;

• Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств;

• Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определённых температурах и могут быть использованы в качестве полностью оптических датчиков температуры; способны работать с большими частотами и совмещаются с фотонными изоляторами и полупроводниками.

Биокерамики

Биокерамика – конструкционный совместимый с биологическими объектами материал, используемый в практической медицине при протезировании и изготовлении имплантатов (рис. I.21). В течение последних 30-40 лет было осуществлено множество важных достижений в области биоактивной керамики, стекол и стеклокерамики. Со времен первоначальной работы по разработке материалов, выдерживающих физиологическую среду, акцент сместился в сторону использования керамических материалов, которые взаимодействуют с костной тканью, формируя с ней непосредственную связь. Сейчас стало возможным выбирать с помощью контроля состава, будут ли эти материалы биологически стабильны, будучи включенными в структуру скелета, или они все время будут рассасываться.

Кость – это композит, содержащий органическую фазу (основанную на коллагене), в которую вкраплены кальцийсодержащие неорганические кристаллы. Однако, несмотря на то, что скелет играет жизненно важную роль в теле млекопитающих в частности для поддержания, передвижения и защиты внутренних органов, он подвержен трещинам от ушибов и разрушающим болезням, которые связаны со старением. Поэтому, начиная с давних времен, была необходимость в восстановлении поврежденной костной ткани.

Самые ранние попытки заменить твердую ткань на биоматериал были направлены на восстановление основных функций с помощью «ремонта» дефектов, вызванных ушибами и болезнями – однако цель заключалась в достижении минимальной биологической реакции со стороны физиологической среды. Сейчас данные материалы в основном классифицируют как «биоинертные», а отсутствие токсической реакции может рассматриваться как успешный результат. Термин «биоинертный» следует употреблять осторожно, поскольку стало ясно, что любой материал, внедренный в физиологическую среду, будет вызывать реакцию (отклик). Однако, с точки зрения биомедицинских имплантатов, термин может быть определен как «имеющий минимальный уровень отклика со стороны принимающей ткани, в которую имплантат будет помещен в виде тонких волокнистых несоприкасающихся пластин». В 1920гг де Джонг первым обнаружил сходство между рентгенограммами минеральной части кости и фосфаткальциевого соединения – гидроксиапатита (рис. I.22). Позже было установлено, что гидроксиапатит имеет химическую формулу Ca10(PO4)6(OH)2 и является более стабильным в водной среде, чем другие фосфат-кальциевые керамики, при величине pH=4,2-8,0.

Наряду с тем, что последние 40 лет наблюдалось движение и в сторону увеличения количества используемых в клинических целях биокерамик, а также качества восстановления кости, до сих пор существует возможность достичь улучшений в этой области, а именно:

• совершенствование механических характеристик существующих биоактивных керамик;

• улучшение биоактивности с целью активизации генов;

 • улучшение характеристик биомедицинских покрытий в соответствии с механической стабильностью и способностью доставлять биологические агенты;

• разработка «умных» материалов, допускающих комбинирование чувствительности и биоактиности;

• разработка улучшенных биомиметических композитов. Однако все еще существует необходимость в лучшем понимании биологических систем, точном представлении механизма связывания между минеральной частью кости и коллагеном. Также неясно, чем активируется быстрое заживление: новым поколением биокерамики, как результата улучшения минерализации самим по себе или существует комплексный сигнальный процесс, вовлекающий белки коллагена.

Список литературы

- НАНОХИМИЯ. Князев А.В., Кузнецова Н.Ю. Электронное учебное пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. – 102 с.

       - нееорганические наноматериалы [Электронныйре-сурс]: учебное пособие / Э. Г.Раков. — Эл. изд. —М.: БИНОМ. Лабораториязнаний, 2013. — 477 с. :ял. — (Нанотехнологии).