211service.com
Billig, selvsamlende optik
Forskere ved University of California, Berkeley, har skabt partikler i nanoskala, der selv kan samles til forskellige optiske enheder. Ved at kontrollere, hvor tæt de små sølvpartikler samler sig, kan forskerne lave flere forskellige slags enheder, herunder fotoniske krystaller. De selvsamlende materialer kunne laves billigt og i stor skala. Som et resultat heraf kunne sølvnanopartiklerne bruges til at fremstille metamaterialer, farveskiftende maling, komponenter til optiske computere og ultrafølsomme kemiske sensorer, blandt mange andre potentielle anvendelser.
Lette tricks: Denne kuvette indeholder en opløsning af sølvnanopartikler i færd med at samle sig selv til en såkaldt plasmonisk krystal, hvis optiske egenskaber er meget afhængige af rummet mellem partiklerne. Øverst er nanopartiklerne relativt langt fra hinanden. I bunden af kuvetten er nanopartiklerne tæt pakket.
Ledet af Peidong Yang , professor i kemi ved Berkeley, har forskerne demonstreret, at de kan bruge nanopartiklerne til at øge følsomheden af arsen-detektion med en størrelsesorden. De lavede også en meget robust slags fotonisk krystal kaldet en plasmonisk krystal. Disse nye strukturer ligner fotoniske krystaller, men bedre, siger Peter Nordlander , en professor i fysik ved Rice University, som ikke var involveret i arbejdet. Fotoniske krystaller tillader nogle bølgelængder af lys at passere, mens de filtrerer andre fra. De bruges kommercielt til at belægge linser og spejle og i optiske fibre; de kunne også bruges i optiske computere.
Sølvnanopartiklerne, der udgør Yangs strukturer, er oktaedre med sider på omkring 150 nanometer; de er meget regelmæssige i form og størrelse. Krystalstrukturer, der består af disse nanopartikler, kan laves, når partiklerne blot placeres i et reagensglas fyldt med vand og får lov til at pakkes sammen. Når vandet fordamper, forbliver en krystalstruktur.
Yang siger, at enkelheden i hans gruppes proces er vigtig. De fleste nanostrukturerede materialer er lavet ovenfra og ned ved hjælp af litografi, hvilket gør dem svære at fremstille billigt og i stor skala. I modsætning hertil dyrkes Yangs partikler i opløsning. Og de fleste selvsamlede strukturer består af relativt små partikler, siger Paul Braun , professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois, Urbana-Champagne. Større partikler som dem, der bruges af Yangs gruppe, har bedre optiske egenskaber, siger han. Dette er det første papir, der demonstrerer højkvalitets selvsamling af metalpartikler [af denne størrelse], siger Braun fra Yangs arbejde, som blev offentliggjort i Nano bogstaver .
Når sølvnanopartiklerne er løst pakket, opfører strukturerne sig som fotoniske krystaller, hvilket tillader nogle bølgelængder af lys at forplante sig og stopper andre. Når nanopartiklerne er tæt pakket, får strukturerne helt nye optiske egenskaber, der opfører sig som såkaldte plasmoniske krystaller. Ved kanterne af sølvpartiklerne bliver overfladeenergibølger kaldet plasmoner koncentreret. Ligesom fotoniske krystaller tillader nogle fotoner at passere, mens de begrænser andre, styrer de nye krystaller strømmen af energien indeholdt i lys i form af plasmoner. Nordlander siger, at dette fænomen gør det muligt for Berkeley-strukturerne at interagere med lys meget stærkere, end traditionelle fotoniske krystaller gør. Af denne grund, siger han, bør strukturerne have endnu flere anvendelser end fotoniske krystaller.
Små fliser: Sølvoktaedre, hvis sider måler omkring 150 nanometer på tværs, pakkes sammen, når de er suspenderet i vand. De optiske egenskaber af de resulterende krystaller er meget afhængige af rummet mellem partiklerne.
Braun siger, at en spændende anvendelse, der er mulig på grund af den billige selvsamlingsproces, er, at Berkeley-materialerne kunne bruges til at lave justerbare belægninger, der skifter farve afhængigt af afstanden mellem sølvpartiklerne. Den samme teknik kunne bruges til at lave materialer, der kan ændre, hvor stærkt de transmitterer bestemte bølgelængder af lys. Disse belægninger kan tjene som camouflage til militærkøretøjer, linsebelægninger, der kan variere deres transmission, og belægninger til mere effektive solceller. I modsætning til organiske farvestoffer, der udvikles til disse formål, siger Braun, vil sølvnanopartiklerne formentlig holde bedre med tiden.
Berkeley-byggestenene kan også bruges til at lave nye metamaterialer til tilsløring og superopløsningsbilleddannelse, siger Nicholas Fang , professor i mekanisk videnskab og teknik ved University of Illinois, Urbana-Champagne. De fleste metamaterialer, uanset om de er designet med det formål at koncentrere lys i nye mikroskoper eller aflede lys omkring objekter til usynlighedskapper, har problemer med skalerbarhed. Yangs byggesten, siger Fang, vil hjælpe med at overvinde de større udfordringer i fremstillingen.
En applikation, som Yang allerede har demonstreret, er brugen af plasmoniske krystaller, der består af hans byggesten, for at øge følsomheden af en kemisk detektionsteknik kaldet Raman-spektroskopi. Yangs gruppe testede grundvand, der vides at være forurenet med arsen og fandt ud af, at krystallerne øgede detektionsfølsomheden fra ti til én del pr. milliard – den mest følsomme påvisning af arsen, der endnu er udført. Yang siger, at han håber, at krystallerne vil blive inkorporeret i billige, bærbare kemiske sensorer til brug på steder i Indien og Kina, hvor drikkevandet indeholder arsen i usunde, men tidligere uopdagelige niveauer.