Snoede krystaller peger mod aktive optiske materialer

(PhysOrg.com) -- Et spil i nanoskala med "nu ser du det, nu gør du det ikke" kan bidrage til skabelsen af ​​metamaterialer med nyttige optiske egenskaber, som aktivt kan kontrolleres, ifølge forskere ved Rice University.

Et rislaboratorium ledet af kemiker Stephan Link har opdaget en måde at bruge flydende krystaller til at kontrollere lys spredt fra guld nanorods. Forskerne bruger spænding til følsomt at manipulere justeringen af ​​flydende krystalmolekyler, der skiftevis blokerer og afslører lys fra partiklerne; guld nanoroderne opsamler og gentransmitterer lys i en bestemt retning.

Forskningen blev rapporteret i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Det virker simpelt, men Link sagde, at teknikken tog to år at forfine til det punkt, hvor lyset fra nanopartiklerne kunne kontrolleres fuldstændigt.

"Nøglen til vores tilgang er rotationen i planet af flydende krystalmolekyler, der dækker individuelle guld nanorods, der fungerer som optiske antenner, " sagde Link, en adjunkt i kemi og el- og computerteknik. "At lære, hvordan vores enheder fungerer, var spændende og har givet os mange ideer til, hvordan man kan manipulere lys på nanoskala."

Link sagde, at enheden faktisk er en super halvbølgeplade, en raffineret version af en standardenhed, der ændrer lysets polarisering.

Med den nye enhed, holdet forventer at være i stand til at kontrollere lys fra enhver nanostruktur, der spreder, absorberer eller udsender lys, selv kvanteprikker eller kulstofnanorør. "Lyset skal kun polariseres for at dette virker, " sagde Link, der studerer nanopartiklers plasmoniske egenskaber og for nylig forfattede et perspektiv på sin gruppes seneste forskning i plasmonik for Journal of Physical Chemistry Letters. (Se en video af Link og hans team her.)

I polariseret lys, som sollys, der reflekteres fra vandet, lysets bølger er justeret i et bestemt plan. Ved at ændre retningen af ​​deres justering, flydende krystaller kan tunably blokere eller filtrere lys.

Rice-holdet brugte guld nanorods som deres polariserede lyskilde. Stængerne fungerer som optiske antenner; når den er oplyst, deres overfladeplasmoner genudsender lys i en bestemt retning.

I deres eksperiment, holdet placerede tilfældigt deponerede nanorods i en række vekslende elektroder på et objektglas; de tilføjede et flydende krystalbad og et dækglas. En polyimidbelægning på det øverste dækglas tvang de flydende krystaller til at orientere sig parallelt med elektroderne.

Flydende krystaller i denne homogene fase blokerede lys fra nanorods vendt en vej, mens man lod lys fra nanorods pegede en anden vej passere gennem en polarisator til detektoren.

Det, der skete dengang, var bemærkelsesværdigt. Når holdet påførte så lidt som fire volt på elektroderne, flydende krystaller, der svævede i nærheden af ​​nanoroderne, rettede sig ind efter det elektriske felt mellem elektroderne, mens krystaller over elektroderne, stadig under påvirkning af dækglasbelægningen, blev siddende.

Den nye konfiguration af krystallerne - kaldet en snoet nematisk fase - virkede som en lukker, der skiftede nanorodernes signaler som et trafiklys.

"Vi tror ikke, at denne effekt afhænger af guld nanorods, " sagde Link. "Vi kunne have andre nanoobjekter, der reagerer med lys på en polariseret måde, og så kunne vi modulere deres intensitet. Det bliver en tunbar polarisator."

Afgørende for eksperimentets succes var afstanden - i nærheden af ​​14 mikron - mellem toppen af ​​elektroderne og bunden af ​​dækglasset. "Tykkelsen af ​​dette mellemrum bestemmer mængden af ​​rotation, " sagde Link. "Fordi vi skabte det snoede nematiske in-plan og har en vis tykkelse, vi får altid 90 graders rotation. Det er det, der gør den til en super halvbølgeplade."

Link ser et stort potentiale for teknikken, når den bruges med en række nanopartikler orienteret i specifikke retninger, hvor hver partikel ville være fuldstændig kontrollerbar, som en kontakt.