Nanoskalateknik bringer lys-vridende materialer til mere ekstreme omgivelser

Billeddannelse af den varme turbulens i flyfremdrivningssystemer kan nu være mulig med robuste plader af kompositmaterialer, der vrider lysstråler, ifølge forskning ledet af University of Michigan og Air Force Research Laboratory.

Arkene blev produceret med en ny fremstillingsmetode, der åbner muligheder ud over flydesign, da den gør det muligt at bruge nye klasser af materialer i polarisationsoptik. Mens holdet demonstrerede høj temperaturtolerance, forventes nye mekaniske, elektriske og fysiske egenskaber også at dukke op - med potentielle anvendelser inden for energi, sensorer til køretøjer og robotter og rumudforskning.

"At kombinere flere funktionaliteter i 2D-materialer åbner op for en verden af ​​muligheder," sagde Dhriti Nepal, senior forskningsmaterialeingeniør ved Air Force Research Laboratory og en med-korresponderende forfatter til undersøgelsen offentliggjort for nylig i Nature .

"Tænk på en sommerfugls vinger, som gør det muligt for den at flyve, regulere temperaturen og reflektere lys for at producere specifikke farver for at tiltrække kammerater og undgå rovdyr. Denne teknik giver nye designmuligheder til at skabe multifunktionelle enheder, der er i stand til alt, man kan forestille sig."

Nøglen er at arrangere nanomaterialer, der ikke vrider lys af sig selv til lag, der forvandler lysbølger til enten venstre- eller højrehåndede spiraler, kendt som cirkulære polariseringer. I flyeksemplet drejer turbulens skabt af motoren lyset, som derefter filtreres gennem materialet til billeddannelse. I dag styrer enheder som LCD-skærme og termokrom maling allerede drejningen og orienteringen af ​​lysbølger ved hjælp af flydende krystaller, men de smelter ikke langt over omgivende temperaturer.

"Der kan være situationer, hvor du ønsker at vride lys uden for de normale driftstemperaturer for flydende krystaller. Nu kan vi lave lyspolariserende enheder til den slags indstillinger," sagde Nicholas Kotov, professor ved Irving Langmuir Distinguished University of Chemical Sciences. og Engineering ved U-M og hovedforfatter af undersøgelsen.

Det nye materiale kan vride lyset ved 250 grader Celsius, og gennem billeddannelse af turbulens i flymotorer og andre applikationer kan det gøre det muligt for rumfartsingeniører at forbedre design for bedre flyveydelse.

"Fremtidige rumfartssystemer fortsætter med at skubbe kanten af ​​teknisk gennemførlighed. Disse billige optiske materialer giver modularitet, hvilket er afgørende for at optimere løsninger til en bred vifte af fremtidige teknologier," siger Richard Vaia, materiale- og produktionschef ved Air Force Research Laboratory og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

For at lave materialerne satte forskerne mikroskopiske riller i en plastikplade og dækkede den med flere lag små, flade partikler med en diameter, der er 10.000 gange mindre end en millimeter. Disse partikler blev holdt på plads med skiftende lag af et molekylært klæbemiddel, og de kunne laves af ethvert materiale, der kan laves om til flade nanopartikler. Til deres varmetolerante materialer brugte forskerne keramisk-lignende materialer kaldet MXenes.

Når lys bevæger sig gennem materialet, deler det sig i to stråler, en med horisontalt oscillerende bølger og en anden med vertikalt oscillerende bølger. De lodrette bølger passerer hurtigere igennem end de vandrette bølger. Som et resultat går bølgerne ud af fase og fremstår som en spiral af lys. Vinklen på rillerne bestemmer retningen, som lysspiralerne, og lag af sølv nanotråde kan hjælpe med at sikre lysspiralerne udelukkende til venstre eller højre.

"Vores beregninger tyder på, at de optiske egenskaber ikke kom fra selve nanopladerne, men fra deres orientering på rillerne forårsaget af vores fremstillingsproces," sagde André Farias de Moura, lektor i kemi ved Federal University of São Carlos og en medkorresponderende forfatter til undersøgelsen.

Felippe Colombari fra Brazilian Biorenewables National Laboratory bidrog også til undersøgelsen. Nicholas Kotov er også Joseph B. og Florence V. Cejka professor i ingeniørvidenskab og professor i makromolekylær videnskab og teknik.

Flere oplysninger: Jun Lu et al, Nano-achirale komplekse kompositter til ekstrem polarisationsoptik, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07455-4

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Michigan