211service.com
Tania optyka do samodzielnego montażu
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley stworzyli cząstki w nanoskali, które mogą samoorganizować się w różne urządzenia optyczne. Kontrolując, jak gęsto gromadzą się małe cząsteczki srebra, naukowcy mogą stworzyć kilka różnych rodzajów urządzeń, w tym kryształy fotoniczne. Materiały samoskładające się można było wytwarzać tanio i na dużą skalę. W rezultacie nanocząstki srebra mogą być wykorzystywane do produkcji metamateriałów, farb zmieniających kolor, komponentów komputerów optycznych i ultraczułych czujników chemicznych, a także wielu innych potencjalnych zastosowań.
Lekkie sztuczki: Kuweta ta zawiera roztwór nanocząstek srebra w procesie samoorganizacji w tzw. kryształ plazmoniczny, którego właściwości optyczne są silnie zależne od przestrzeni między cząsteczkami. Na górze nanocząstki są stosunkowo daleko od siebie. Na dnie kuwety nanocząsteczki są gęsto upakowane.
Prowadzone przez Peidong Yang , profesor chemii w Berkeley, naukowcy wykazali, że mogą wykorzystać nanocząsteczki do zwiększenia czułości wykrywania arsenu o rząd wielkości. Stworzyli również bardzo wytrzymały rodzaj kryształu fotonicznego, zwany kryształem plazmonicznym. Te nowe struktury są podobne do kryształów fotonicznych, ale lepsze, mówi Peter Nordlander , profesor fizyki na Rice University, który nie był zaangażowany w pracę. Kryształy fotoniczne umożliwiają przechodzenie niektórych długości fal światła, jednocześnie odfiltrowując inne. Są używane komercyjnie do powlekania soczewek i luster oraz w światłowodach; mogą być również wykorzystywane w komputerach optycznych.
Nanocząstki srebra tworzące struktury Yanga to oktaedry o bokach około 150 nanometrów; mają bardzo regularny kształt i rozmiar. Struktury krystaliczne składające się z tych nanocząstek można tworzyć, gdy cząstki są po prostu umieszczane w probówce wypełnionej wodą i gromadzone razem. Gdy woda wyparuje, pozostaje struktura krystaliczna.
Yang mówi, że ważna jest prostota procesu jego grupy. Większość materiałów nanostrukturalnych wytwarzana jest od góry do dołu przy użyciu litografii, co utrudnia ich tanią produkcję i na dużą skalę. Natomiast cząstki Yanga rosną w roztworze. A większość samoorganizujących się struktur składa się ze stosunkowo małych cząstek, mówi Paul Braun , profesor inżynierii materiałowej na University of Illinois, Urbana-Champagne. Większe cząstki, takie jak te używane przez grupę Yanga, mają lepsze właściwości optyczne, mówi. To pierwsza praca demonstrująca wysokiej jakości samoorganizację cząstek metalu [tej wielkości], mówi Braun o pracy Yanga, która została opublikowana w Litery nano .
Kiedy nanocząstki srebra są luźno upakowane, struktury zachowują się jak kryształy fotoniczne, umożliwiając propagację niektórych długości fal światła i zatrzymywanie innych. Gdy nanocząstki są gęsto upakowane, struktury nabierają zupełnie nowych właściwości optycznych, zachowując się jak tzw. kryształy plazmoniczne. Na krawędziach cząstek srebra koncentrują się fale energii powierzchniowej zwane plazmonami. Tak jak kryształy fotoniczne przepuszczają niektóre fotony, jednocześnie ograniczając inne, nowe kryształy kontrolują przepływ energii zawartej w świetle w postaci plazmonów. Nordlander twierdzi, że zjawisko to umożliwia strukturom Berkeley oddziaływanie ze światłem znacznie silniej niż tradycyjne kryształy fotoniczne. Z tego powodu, mówi, struktury powinny mieć nawet więcej zastosowań niż kryształy fotoniczne.
Małe płytki: Srebrna oktaedra, której boki mierzą około 150 nanometrów średnicy, pakują się razem, gdy są zawieszone w wodzie. Właściwości optyczne powstałych kryształów w dużym stopniu zależą od przestrzeni między cząstkami.
Braun mówi, że jednym z ekscytujących zastosowań, które jest możliwe dzięki taniemu procesowi samodzielnego montażu, jest to, że materiały Berkeley można wykorzystać do wytwarzania przestrajalnych powłok, które zmieniają kolor w zależności od odległości między cząsteczkami srebra. Tę samą technikę można wykorzystać do wytwarzania materiałów, które mogą zmieniać intensywność przepuszczania określonych długości fal światła. Powłoki te mogą służyć jako kamuflaż dla pojazdów wojskowych, powłoki soczewek, które mogą zmieniać ich transmisję, oraz powłoki dla bardziej wydajnych ogniw słonecznych. W przeciwieństwie do barwników organicznych opracowywanych do tych celów, mówi Braun, nanocząsteczki srebra prawdopodobnie z czasem będą się lepiej utrzymywać.
Bloki konstrukcyjne Berkeley mogą być również wykorzystywane do tworzenia nowych metamateriałów do maskowania i obrazowania w super rozdzielczości, mówi Nicholas Fang , profesor nauk mechanicznych i inżynierii na University of Illinois, Urbana-Champagne. Większość metamateriałów, czy to zaprojektowanych w celu koncentrowania światła w nowych mikroskopach, czy też odbijania światła wokół obiektów w celu uzyskania peleryny-niewidki, ma problemy ze skalowalnością. Jak mówi Fang, elementy konstrukcyjne Yang pomogą sprostać większym wyzwaniom związanym z produkcją.
Jednym z zastosowań, które Yang już zademonstrował, jest wykorzystanie kryształów plazmonicznych z jego elementów budulcowych w celu zwiększenia czułości techniki wykrywania chemicznego zwanej spektroskopią Ramana. Grupa Yanga zbadała wody gruntowe, o których wiadomo, że są zanieczyszczone arsenem i odkryła, że kryształy zwiększyły czułość wykrywania z dziesięciu do jednej części na miliard – to najczulsze wykrywanie arsenu, jakie dotychczas przeprowadzono. Yang mówi, że ma nadzieję, że kryształy zostaną włączone do tanich, przenośnych czujników chemicznych do użytku w miejscach w Indiach i Chinach, gdzie woda pitna zawiera arszenik na niezdrowym, ale wcześniej niewykrywalnym poziomie.