Skulpturering af optiske mikrostrukturer med små ændringer i kemi

I 2013, materialeforskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, voksede en have med selvsamlede krystalmikrostrukturer. Nu, anvendte matematikere på SEAS og Wyss har udviklet en ramme for bedre at forstå og kontrollere fremstillingen af ​​disse mikrostrukturer.

Sammen, forskerne brugte denne ramme til at dyrke sofistikerede optiske mikrokomponenter.

Forskningen er publiceret i Videnskab .

Når det kommer til fremstilling af multifunktionelle materialer, naturen har mennesker slået med kilometer. Marine bløddyr kan integrere fotoniske strukturer i deres buede skaller uden at gå på kompromis med skalstyrken; dybhavssvampe udviklede fiberoptiske kabler til at lede lys til symbiotisk levende organismer; og sprøde stjerner dækker deres skeletter med linser for at fokusere lys ind i kroppen for at "se" om natten. Under væksten, disse sofistikerede optiske strukturer melder sig små, veldefinerede kurver og hule former for bedre at lede og fange lys.

Fremstilling af komplekse bioinspirerede former i laboratoriet er ofte tidskrævende og dyrt. Gennembruddet i 2013 blev ledet af materialeforskere Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab og kemi og kemisk biologi og kernefakultetsmedlem i Wyss Institute og tidligere postdoktor Wim L. Noorduin. Forskningen tillod forskere at fremstille sarte, blomsterlignende strukturer på et substrat ved simpelthen at manipulere kemiske gradienter i et væskebæger. Disse strukturer, består af carbonat og glas, danne en buket tynde vægge.

Hvad den forskning manglede dengang var en kvantitativ forståelse af de involverede mekanismer, der ville muliggøre endnu mere præcis kontrol over disse strukturer.

Indtast teoretikere.

Inspireret af teorien til at forklare størknings- og krystallisationsmønstre, L. Mahadevan, Lola England de Valpine professor i anvendt matematik, Fysik, og organismisk og evolutionær biologi, og postdoktor C. Nadir Kaplan, udviklet en ny geometrisk ramme for at forklare, hvordan tidligere nedbørsmønstre voksede og endda forudsagde nye strukturer.

Mahadevan er også kernemedlem af Wyss Institute.

I forsøg, strukturenes form kan styres ved at ændre pH i opløsningen, hvor figurerne fremstilles.

"Ved højt pH, disse strukturer vokser på en flad måde, og du får flade former, som en side af en vase, "sagde Kaplan, medforfatter af papiret. "Ved lav pH, strukturen begynder at krumme, og du får spiralformede strukturer. "

Når Kaplan løste de resulterende ligninger som en funktion af pH, med en matematisk parameter, der står for den kemiske ændring, han fandt ud af, at han kunne genskabe alle former udviklet af Noorduin og Aizenberg - og finde på nye.

"Når vi forstod væksten og formen af ​​disse strukturer, og vi kunne kvantificere dem; vores mål var at bruge teorien til at komme med en strategi til at bygge optiske strukturer nedefra og op, "sagde Kaplan.

Kaplan og Noorduin arbejdede sammen for at dyrke resonatorer, bølgeledere og strålesplittere.

"Da vi havde de teoretiske rammer, vi var i stand til at vise den samme proces eksperimentelt, "sagde Noorduin, medforfatter. "Ikke alene var vi i stand til at dyrke disse mikrostrukturer, men vi kunne også demonstrere deres evne til at lede lys. "

Noorduin er nu gruppeleder hos den hollandske materialeforskningsorganisation AMOLF.

"Fremgangsmåden kan give en skalerbar, billig og præcis strategi til fremstilling af komplekse tredimensionelle mikrostrukturer, som ikke kan laves ved top-down fremstilling og skræddersy dem til magnetiske, elektronisk, eller optiske applikationer, "sagde Joanna Aizenberg, medforfatter af papiret.

"Vores teori afslører, at ud over vækst, carbonat-silica strukturer kan også undergå bøjning langs kanten af ​​deres tynde vægge, "sagde Mahadevan, seniorforfatteren af ​​avisen. "Denne ekstra grad af frihed mangler typisk i konventionelle krystaller, såsom et voksende snefnug. Dette peger på en ny form for vækstmekanisme inden for mineralisering, og fordi teorien er uafhængig af absolut skala, det kan tilpasses andre geometrisk begrænsede vækstfænomener i fysiske og biologiske systemer. "

Næste, forskerne håber at modellere, hvordan grupper af disse strukturer konkurrerer mod hinanden om kemikalier, som træer i en skov, der konkurrerer om sollys.