Skum giver mulighed for at manipulere lyset

Der er mere til skum, end man kan se. Bogstaveligt talt. En undersøgelse foretaget af Princeton-forskere har vist, at en type skum, som videnskabsmænd længe har studeret, er i stand til at blokere bestemte bølgelængder af lys, en eftertragtet ejendom til næste generations informationsteknologi, der bruger lys i stedet for elektricitet.

Forskerne, at integrere ekspertise fra materialevidenskab, kemi og fysik, udført udtømmende beregningssimuleringer af en struktur kendt som et Weaire-Phelan-skum. De fandt ud af, at dette skum ville tillade nogle frekvenser af lys at passere igennem, mens det fuldstændig reflekterede andre. Denne selektive blokering, kendt som et fotonisk båndgab, ligner opførselen af ​​en halvleder, grundfjeldsmaterialet bag al moderne elektronik på grund af dets evne til at kontrollere strømmen af ​​elektroner i ekstremt små skalaer.

"Dette har den egenskab, vi ønsker:et omnidirektionelt spejl til et bestemt frekvensområde, " sagde Salvatore Torquato, professor i kemi og Princeton Institute for Science and Technology of Materials. Torquato, Lewis Bernard professor i naturvidenskab, offentliggjort resultaterne 6. november i Proceedings of the National Academy of Science , med medforfattere Michael Klatt, en postdoc forsker, og fysiker Paul Steinhardt, som er Princetons Albert Einstein professor i naturvidenskab.

Mens adskillige eksempler på fotoniske båndgab tidligere er blevet vist i forskellige typer krystaller, forskerne mener, at deres nye fund er det første eksempel i et skum, ligner skummet fra sæbebobler eller en fadøl. I modsætning til det uordnede skum af øl, Weaire-Phelan-skummet er et præcist struktureret arrangement med dybe rødder i matematik og fysik.

Oprindelsen af ​​Weaire-Phelan-skummet dateres til 1887, da den skotske fysiker Lord Kelvin foreslog en struktur for "æteren, "det mystiske stof, der dengang blev anset for at udgøre en baggrundsstruktur til hele rummet. Selvom begrebet æter allerede var ved at falde i ugunst på det tidspunkt, Kelvins foreslåede skum fortsatte med at fascinere matematikere i et århundrede, fordi det så ud til at være den mest effektive måde at fylde rummet med sammenlåsende geometriske former, der har det mindst mulige overfladeareal.

I 1993, fysikerne Denis Weaire og Robert Phelan fandt et alternativt arrangement, der kræver lidt mindre overfladeareal. Siden da, interessen for Weaire-Phelan strukturen var hovedsageligt i matematikken, fysik og kunstneriske fællesskaber. Strukturen blev brugt som den ydre væg på "Beijing Water Cube" skabt til OL i 2008. Det nye fund gør nu strukturen interessant for materialeforskere og teknologer.

"Du starter med en klassisk, smukt problem i geometri, i matematik, og nu har du pludselig dette materiale, der åbner et fotonisk båndgab, " sagde Torquato.

Torquato, Klatt og Steinhardt blev interesseret i Weaire-Phelan-skummet som en tangent til et andet projekt, hvor de undersøgte "hyperuniforme" uordnede materialer som en innovativ måde at kontrollere lyset. Selvom det ikke var deres oprindelige fokus, de tre indså, at dette præcist strukturerede skum havde spændende egenskaber.

"Lidt efter lidt, det blev tydeligt, at der var noget interessant her, " sagde Torquato. "Og til sidst sagde vi, "Okay, lad os lægge hovedprojektet til side et stykke tid for at forfølge dette.""

"Se altid efter, hvad der er på vejen til forskning, " tilføjede Klatt.

Weaire, som ikke var involveret i dette nye fund, sagde, at Princeton-opdagelsen er en del af en bredere interesse for materialet, siden han og Phelan opdagede det. Han sagde, at den mulige nye anvendelse i optik sandsynligvis stammer fra, at materialet er meget isotropt, eller ikke har stærkt retningsbestemte egenskaber.

"Det faktum, at det viser et fotonisk båndgab, er meget interessant, fordi det viser sig at have så mange specielle egenskaber, " sagde Andrew Kraynik, en ekspert i skum, der fik sin ph.d. i kemiteknik fra Princeton i 1977 og har studeret Weaire-Phelan-skummet indgående, men var ikke involveret i Princeton-studiet. Endnu en Princeton-forbindelse, sagde Kraynik, er, at et nøgleværktøj til at opdage og analysere Weaire-Phelan-skummet er et softwareværktøj kaldet Surface Evolver, som optimerer former efter deres overfladeegenskaber og er skrevet af Ken Brakke, der fik sin ph.d. i matematik i Princeton i 1975.

For at vise, at Weaire-Phelan-skummet udviste de lyskontrollerende egenskaber, de søgte, Klatt udviklede et minutiøst sæt beregninger, som han udførte på supercomputing-faciliteterne på Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

"De programmer, han skulle køre, er virkelig beregningsintensive, " sagde Torquato.

Værket åbner talrige muligheder for yderligere opfindelse, sagde forskerne, der døbte det nye arbejdsområde som "phoamtonics" (en mashup af "skum" og "fotonik"). Fordi skum forekommer naturligt og er relativt nemme at lave, et muligt mål ville være at lokke råmaterialer til selvorganisering i det præcise arrangement af Weaire-Phelan-skummet, sagde Torquato.

Med videreudvikling, skummet kunne transportere og manipulere lys brugt i telekommunikation. I øjeblikket bæres meget af de data, der krydser internettet, af glasfibre. Imidlertid, på sin destination, lyset omdannes tilbage til elektricitet. Fotoniske båndgabmaterialer kunne lede lyset meget mere præcist end konventionelle fiberoptiske kabler og kan tjene som optiske transistorer, der udfører beregninger ved hjælp af lys.

"Hvem ved?" sagde Torquato. "Når du har dette som resultat, så giver det eksperimentelle udfordringer for fremtiden."