Стекло десятилетиями было незаменимым материалом в оптике — прозрачное, стабильное, надежное. Но когда дело доходило до управления светом на наноуровне, особенно в высокопроизводительных устройствах, оно уступало материалам с более высоким коэффициентом преломления. Теперь команда профессора Джоэла Янга из Сингапурского университета технологий и дизайна изменила эту ситуацию.

Ученые разработали метод 3D-печати наноструктур из стекла, которые отражают почти 100% видимого света. Такой результат для материалов вроде диоксида кремния (основы стекла) — редкость. Это открывает новые возможности для стекла в нанофотонике: от гибкой электроники до датчиков и дисплеев.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Ключ к успеху — новый материал Glass-Nano: это светочувствительная смола на основе кремнийсодержащих молекул. В отличие от традиционных методов, где используют наночастицы диоксида кремния (из-за которых структуры получаются зернистыми), Glass-Nano затвердевает равномерно. При печати методом двухфотонной литографии структуры сжимаются при нагреве до 650°C, сохраняя форму, а их детали достигают 260 нанометров.

Мы начали не с частиц, а с молекул, — объясняет профессор Янг. — Это позволило создавать наноструктуры с гладкими поверхностями и высокой точностью. Затем мы превращаем их в стекло, и структура не разрушается.

Команда сосредоточилась на фотонных кристаллах — искусственных материалах с повторяющейся структурой, которые взаимодействуют со светом определенных длин волн. Чтобы эффективно отражать свет, такие кристаллы должны быть идеально ровными. Раньше низкий коэффициент преломления стекла не позволял добиться хорошей отражательной способности, но новый метод изменил ситуацию.

Ученые напечатали более 20 слоев, тщательно подобрали геометрию и получили кристалл, отражающий почти весь падающий свет под разными углами.

Результат удивил, — говорит доктор Ван Чжан, ведущий автор исследования. — Раньше считалось, что стекло для этого слишком «слабое», но оказалось, что при правильной структуре оно может соперничать с более „сильными“ материалами.

Измерения совпали с теоретическими расчетами — даже мелкие детали спектра, которые сначала приняли за погрешность, подтвердились.

На макроуровне такая усадка разрушила бы структуру, но в наномасштабе высокая площадь поверхности помогает сохранить стабильность, — добавляет Чжан.

Технология открывает новые горизонты. Например, фотонные кристаллы можно использовать в дисплеях с структурной окраской  (без пигментов), что снизит энергопотребление. Также метод позволяет экспериментировать с новыми формами кристаллов, управляющими светом нестандартными способами.

Сейчас команда работает над улучшением Glass-Nano: тестирует смолы с люминесцентными свойствами и ищет способы ускорить печать.

Теперь мы можем создавать сложные оптические компоненты, которые раньше были невозможны, — говорит Янг.

Польза исследования

• Энергоэффективные дисплеи. Структурная окраска (без красителей) снизит энергопотребление экранов.
• Биосенсоры. Высокая отражательная способность улучшит точность датчиков в медицине.
• Гибкая оптика. Технология позволит создавать тонкие, легкие линзы для AR-очков.
• Защита от подделок. Наноструктуры можно использовать для меток, которые невозможно скопировать.

Основная проблема — масштабируемость. Двухфотонная литография пока медленная и дорогая для массового производства. Кроме того, нагрев до 650°C ограничивает совместимость с другими материалами, например, гибкими полимерами.

Ранее ученые заверили, что кремний еще не сказал последнее слово.