Billeddannelse med lysets hastighed

Små mikro- og nanoskala strukturer inden for et materiales overflade er usynlige for det blotte øje, men spiller en stor rolle i bestemmelsen af ​​et materiales fysiske, kemisk, og biomedicinske egenskaber.

I løbet af de sidste par år har Chunlei Guo og hans forskerhold ved University of Rochester har fundet måder at manipulere disse strukturer ved at bestråle laserpulser til et materiales overflade. De har ændret materialer for at få dem til at afvise vand, tiltrække vand, og absorberer store mængder lys - alt sammen uden nogen form for belægning.

Nu, Guo, Anatoliy Vorobyev, og Ranran Fang, forskere ved University's Institute of Optics, har avanceret forskningen endnu et skridt fremad. De har udviklet en teknik til at visualisere, for første gang, den komplette udvikling af mikro- og nanoskala strukturel dannelse på et materiales overflade, både under og efter påføring af en laserpuls.

"Efter at vi havde fastslået, at vi drastisk kunne ændre ejendommen af ​​et materiale ved at skabe små strukturer i dets overflade, det næste naturlige trin var at forstå, hvordan disse små strukturer blev dannet, "Guo siger." Dette er meget vigtigt, for når du forstår, hvordan de er dannet, kan du bedre kontrollere dem. "

At have denne kontrol åbner vejen for forbedringer i alle former for teknologier, herunder rustbeskyttende byggematerialer, energi absorbere, brændstofceller, rumteleskoper, afisning af fly, medicinsk instrumentering, og sanitet i tredjelandes lande.

I et papir publiceret i Nature journal Lys:Videnskab og applikationer , gruppen introducerede en spredt lys billeddannelsesteknik, der giver dem mulighed for at optage en ultrahurtig film af måderne, hvorpå laserstråling ændrer et materiales overflade. Teknikken åbner et vindue for hele processen, fra det øjeblik en laser rammer materialet til smeltning, forbigående overfladesvingninger, og resolidering, der resulterer i permanente mikro- og nanostrukturer.

Det tager i øjeblikket cirka en time at mønstre en en-til-tommer metalprøve. At identificere, hvordan mikro- og nanostrukturer dannes, har potentiale til at give forskere mulighed for at strømline oprettelsen af ​​disse strukturer- herunder øge hastigheden og effektiviteten af ​​mønsteroverflader.

Oprettelse og ændring af disse små strukturer gør egenskaber i sagens natur en del af materialet og reducerer behovet for midlertidige kemiske belægninger.

For at producere disse effekter, forskere bruger en femtosekundlaser. Denne laser producerer en ultrahurtig puls med en varighed på titalls femtosekunder. (Et femtosekund er lig med en kvadrilliondel af et sekund.)

Ændring af laserens betingelser medfører ændringer i overfladestrukturenes morfologiske træk - såsom deres geometri, størrelse, og densitet - hvilket får materialet til at udvise forskellige specifikke fysiske egenskaber.

Det er svært at få detaljerede billeder og film af begivenheder i mikro- og nanoskalaer, fordi de forekommer i løbet af femtosekunder, picosekunder (en billionion af et sekund), og nanosekunder (en milliarddel af et sekund).

For at sætte dette i perspektiv:Vorobyev forklarer, at det tager cirka et sekund for lys at rejse fra Jorden til månen. Imidlertid, lys bevæger sig kun omkring en fod i et nanosekund og cirka 0,3 mikrometer i et femtosekund, som er en afstand, der kan sammenlignes med diameteren af ​​et virus eller en bakterie.

Et typisk videokamera optager en række billeder med en hastighed på fem til 30 billeder i sekundet. Når billedserien afspilles i realtid, menneskelige øjne opfatter kontinuerlig bevægelse frem for en række separate rammer.

Så hvordan var Guos team i stand til at optage rammer med et interval på femtosekunder, picosekunder, og nanosekunder? De brugte en teknik, der involverede spredt lys. Under en femtosekund laserpuls, strålen er delt i to:en pumpestråle er rettet mod materialemålet for at forårsage mikro- og nanostrukturelle ændringer, og den anden sondestråle fungerer som en flashpære til at belyse processen og optage den i et CCD-kamera-en meget følsom billeddannelsesenhed med højopløsningsfunktioner.

"Vi arbejdede meget hårdt for at udvikle denne nye teknik, "Guo siger." Med det spredte lys, der pulserer med femtosekunders tidsintervaller, vi kan fange de helt små ændringer med en ekstremt hurtig hastighed. Fra disse billeder kan vi tydeligt se, hvordan strukturerne begynder at danne sig. "

Guo forklarer, at denne spredt lysvisualiseringsteknik har applikationer til at fange enhver proces, der finder sted på en minuts skala. "Den teknik, vi udviklede, er ikke nødvendigvis begrænset til bare at studere de overfladeeffekter, der produceres i mit laboratorium. Grundlaget, vi lagde i dette arbejde, er meget vigtigt for at studere ultrahurtige og små ændringer på en materialoverflade." Dette omfatter undersøgelse af smeltning, krystallografi, væskedynamik, og endda celleaktiviteter.