Светом можно манипулировать как водой

Ученые создали тонкопленочный полимерный метаматериал с потенциалом для многократного применения.

Материаловеды из университета Райса и Массачусетского технологического института создали весьма тонкие меняющие цвет пленки, которые могут служить частью недорогих датчиков степени зрелости пищи или для нужд безопасности, многополосных оптических элементов в управляемых лазерами системах и даже в качестве части высококонтрастных дисплеев.

Новая работа во главе с материаловедом Недом Томасом комбинирует полимеры в уникальный, самособирающийся метаматериал, который под воздействием ионов в растворе или среде меняет цвет в зависимости от способности ионов проникать в гидрофильные слои.

Результаты опубликованы в издании ACS Nano.

Материал микронной толщины под названием фотонный гель намного тоньше человеческого волоса и достаточно недорогой в производстве. «Если покрыть этим материалом футбольное поле, то обойдется все удовольствие в 100 долларов», сказал Томас.

Для практического применения достаточно значительно меньшего количества. „Представьте, что вам нужен пищевой датчик“, сказал Томас. „Если поместить его в пакет, а среда внутри пакета изменится вследствие загрязнения, старения или подвергания нежелательной температуре, датчик покажет тестеру изменение цвета с синего на красный, и так станет ясно, что пища пришла в негодность“, пояснил ученый. „Подобные визуальные сигналы особенно хорошо работают, когда необходимо проверить сразу много продуктов. Датчики можно будет проверять либо на глаз, либо с помощью сканирующего спектрофотометра“.

Пленки сделаны из наноразмерных чередующихся слоев гидрофобного пенопласта и гидрофильного поли (2-винил пиридина) или P2VP. На подложке слои формируются в прозрачные стопки из чередующихся наноблинов. „Красота самосборки состоит в том, что все слои собираются одновременно“, заявил Томас.

Исследователи подвергали пленки разным растворам и выявили различные света, основанные на том, как много жидкости впитали слои P2VP. Например, раствор хлора оксида железа не поглощается пленкой, а потому она остается прозрачной. „Когда мы вынимаем пленку, промываем ее и помещаем в другой раствор с другими ионами, цвет изменяется“, сообщил Томас.

Исследователи прогрессивно обратили чистую пленку в синюю (тиоцианат), зеленую (йод), желтую (нитрат), оранжевую (бром) и, наконец, красную (хлор). Что очень важно, в каждом случае изменения были обратимыми.

Томас пояснил, что прямой обмен противоионами между раствором и пленкой P2VP расширяет слои и создает фотонную ширину запрещенной зоны — светлый эквивалент полупроводниковой ширины запрещенной зоны, который позволяет отражаться цвету определенной длины волны.

„Представьте твердое тело, в котором повсюду сформирована ширина запрещенной зоны за исключением трехмерного пути, а путь этот — узко ограниченная область, которую можно создать в пределах фотонного материала. Однажды, когда вы направите по этому пути свет, он не сможет пройти, поскольку не войдет в материал из-за ширины запрещенной зоны. Это называется формовкой светового потока“, сказал ученый. „В современной фотонике о свете думают так, словно это не свет, а вода. Можно пустить его по трубам, или вокруг острых углов. Можно пустить его куда заблагорассудится и не пустить, куда не требуется. Проведение света сегодня намного проще, чем в прошлом, благодаря фотонике, фотонным кристаллам и ширине запрещенной зоны“.

11.10.2012