„Tam dole je spousta místa.“ Tak zní název přednášky, která dala vzniknout novému oboru nanotechnologie. Jedním ze způsobů jak vytvářet na povrchu materiálu struktury malých rozměrů a tím měnit jeho vlastnosti je laserové nanostrukturování. Tím můžeme zajistit, že materiál bude vhodnější pro růst kožních buněk, reakci povrchu s okolní atmosférou či vedení elektrického proudu daným směrem.
V průběhu posledních desetiletí bylo úspěšné zvládnutí procesu nanostrukturování (tvorby struktur velmi malých rozměrů) značnou technologickou výzvou. Důvodem, proč se do toho vůbec pustit a překonat tuto výzvu je celá řada výhod a nových materiálových vlastností, které by s sebou zvládnutí procesu nanostrukturování přineslo. Proces je založen na přípravě tvarů různých vzorů v řádu nanometrů na povrchu umělohmotných materiálů, což propůjčuje materiálu nové fyzikální a chemické vlastnosti (například teplota tání materiálu, jeho ochota chemicky reagovat s okolím,…). Mezi nejpopulárnější příklady nanostrukturních vzorů, které lze nalézt v přírodě je noha gekona či lotosový list, kdy v prvním případě nanostruktura poskytuje vysoce přilnavé schopnosti nohy k podložce a v druhém případě schopnost vypuzovat vodu z povrchu. Historicky první inspirace pro vznik oboru nanotechnologie je přisuzována fyziku R. Feynmanovi: „Ukázalo se, že pokud vezmete všechny knihy ze všech knihoven,všechny z celého světa, (...) tak se to všechno vejde do objemu materiálu o hraně jedné setiny palce, což je nejmenší zrnko prachu, které jste schopni vidět.“ Zejména v posledních několika letech bylo možné pozorovat vznik nového odvětví nanostrukturních technik se specifickými funkcemi založenými na laserovém využití.
Laserové nanostrukturování představuje vhodnou alternativu pro tvoření struktur o vysokém rozlišení. Tyto techniky se přizpůsobují jak vlastnostem materiálu, tak požadované struktuře na ploše a to řízením laserových parametrů, jako jsou intenzita, tok, vlnová délka, doba trvání impulsu, celková dávka fotonů, úhel dopadu paprsku a další podmínky ozařování. Nejčastěji dochází ke tvorbě pravidelných bodových a liniových struktur v závislosti na těchto podmínkách. Studie zabývající se oblastí Laserem indukované periodické povrchové struktury (LIPSS) zkoumají způsob, jak laserový svazek vypisuje pravidelnou strukturu na povrch materiálu.
Pravidelný nanostrukturovaný povrch materiálu nachází své uplatnění v biotechnologii jako biosenzory či v mikroelektronice, kde se využívá zlepšených povrchových vlastností k pokovení substrátu.
Současný zájem o využití laserů, ať už jde o vědecký výzkum či průmyslové aplikace, je přímo spojen s jedinečnými vlastnostmi laserového svazku. Laserový paprsek je totiž možno soustředit na malou plochu s velkým množstvím energie. Vzhledem k tomu, že laserový svazek je v podstatě „nehmotný nástroj“, není třeba žádných mechanických upevnění. Výhodou aplikace laserového svazku je rovněž v rychlosti opracování, které lze dosáhnout obtížněji při použití mechanických nástrojů, či běžných zdrojích ohřevu. Pokud je paprsek správně seřízen, zaručuje stálé vlastnosti zpracování. Také, oproti mechanickým nástrojům, laserový svazek nepodléhá opotřebení a ani nekontaminuje sterilní vzorek, což je naprosto zásadní schopnost v oblasti lékařských a biologických aplikací.
Právě v lékařství se nejčastěji využívá tzv. excimerové laser. Název excimerový pochází z excitovaného dimeru. Jedná se o skupinu molekul tvořených kombinací dvou atomů ve vybuzeném stavu, z nichž vždy jeden je vzácný plyn. Excimerové lasery jsou nesilnější lasery existující v UV oblasti. Charakteristické vlastnosti pro mikrostrukturní aplikace excimerového laseru jsou jeho krátké vlnové délky, vysoká energie a vysoký průměrný výkon. Každá funkce podmiňuje specifické aplikace, avšak jejich společným znakem je využití krátkých vlnových délek umožňující ještě vyšší přesnost zobrazování. Využití je vhodné pro vysoce přesné zpracování materiálu, jako například expozice polovodičového materiálu a mikrostrukturování či modelování lidského oka. Příkladem zpracování materiálů je tvorba mřížkových struktur, které mají rozměry sub-mikrometru.
Ozařování excimerovým laserem, obzvláště o vlnové délce 193 nm je vhodné pro práci s buněčnou tkání. Vzhledem ke krátkému času působení paprsku na tkáň po několik ns, dosahuje hloubka tkáně zasažené laserem pouze 100 nm a méně. Mikrochirurgické zákroky, jako je refrakční chirurgie oka, tohoto faktu využívají. Avšak kvůli slabému přenosu záření o vlnové délce 193 nm optickými vlákny, jsou endoskopické operace uvnitř organismu nemožné. Refrakční chirurgie zasahující do povrchu rohovky lidského oka pomocí UV excimerového laseru byla prvně představena roku 1983 a počátkem devadesátých let byly prováděny první operace. Dnes je zcela rutinní chirurgickou operací.
Na ústavu Inženýrství pevných látek VŠCHT také zkoumáme způsoby, jak při práci s excimerovým laserem připravit různé zajímavé struktury na povrchu materiálu. Podařilo se nám za daných podmínek připravit struktury lineární i globulární a měnit jejich velikost a počet podle naší potřeby. Dále je možné plastový materiál pokovit ultra tenkou vrstvou a připravit vzorek, který je zároveň elektricky vodivý a to v množství a směru, jak já potřebuji. Tuto schopnost připravit povrch s přesnou drsností a vodivostí lze využít při výrobě mikroelektronických prvků, biosenzorů nebo v oblasti tkáňového inženýrství. Nanostruktury připravené laserem je totiž možné využít jako substrát pro růst buněk, které se o zdrsněný povrch snadněji zachytí. Navíc při pokovení stříbrem lze využít antibakteriálních vlastností materiálu.
Autor je doktorským studentem Ústavu inženýrství pevných látek.
