Grafen origami som en mekanisk afstembar plasmonisk struktur til infrarød detektion

Soldater har ofte brug for at se gennem røg, tåge, støv eller andre luftbårne obskure stoffer og registrere tilstedeværelsen af ​​toksiner eller andre kemikalier i marken eller på frontlinjerne. For at identificere disse kemikalier, de bruger infrarøde (IR) sensorer og spektroskopi, som tillader en bestemt lysfarve at skinne med en bestemt frekvens svarende til hvert kemikalie. At identificere hvert kemikalie vil kræve en soldat til at belægge brillen med et unikt filter, gør det muligt for den kemiske signatur at komme igennem med en bestemt frekvens (dvs. en bestemt farve).

Forskere ved University of Illinois, imidlertid, har med succes udviklet et justerbart infrarødt filter lavet af grafen, hvilket ville gøre det muligt for en solider at ændre frekvensen af ​​et filter blot ved kontrolleret mekanisk deformation af filteret (dvs. grafen origami), og ikke ved at erstatte stoffet på beskyttelsesbrillerne, der bruges til at filtrere et bestemt spektrum af farver.

Forskningen er finansieret af Air Force Office of Scientific Research, som er interesseret i sensorer, der ikke kun er følsomme over for forskellige IR-bølgelængder, men også mekanisk kontrollerbar og tunerbar. Resultaterne er offentliggjort i et papir med titlen "Mechanically Reconfigurable Architectured Graphene for Tunable Plasmonic Resonances" i Lys:Videnskab og applikationer .

Denne applikation er en anden i en række opdagelser af "vidundermateriale" grafen af ​​SungWoo Nam, en assisterende professor i mekanisk videnskab og teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

"Typisk når du placerer grafen på et substrat, den er ekstremt gennemsigtig og absorberer kun omkring tre procent af lyset, " bemærkede Nam. "I visse vinkler, du kan se det. Vi bruger denne alsidighed til at lave andre strukturer som fleksible og gennemsigtige sensorer ud af grafen."

Fordi det er et-atom tyndt, grafen bruges normalt, mens den er flad. Nams forskerhold stillede et spørgsmål:hvad ville der ske, hvis gennem origami (papirfoldningskunst), rynker du grafenen? Kunne du ændre egenskaberne for grafen ved at ændre dets topografi?

Ifølge Nam, videnskabsmænd har ikke prøvet denne idé før med andre konventionelle materialer, fordi de er skøre og ikke kan bøjes uden at gå i stykker. Det unikke ved grafen er, at det ikke kun er tyndt, men den er robust, hvilket betyder, at den ikke knækker let, når den er bøjet.

"Lad os sige, at vi skaber grafenrynker ved mekanisk deformation, " sagde Nam. "Hvis du får en bestemt dimension, vil der ske nogen ændringer i den måde, lyset vil blive absorberet af grafen? Vi ønskede at forbinde dimensionerne af den rynkede grafen til dens optiske absorption."

Nams team opdagede, at rynket grafen absorberer lys forskelligt afhængigt af struktur og dimensioner gennem plasmoniske resonanser, dermed producere forskellige farver. Ud over, i modsætning til papir, som ikke let kan blive flad efter foldning eller krølning, grafen kan strækkes igen for at blive flad og rynkefri igen. Ikke kun det, men mængden af ​​lysabsorption kan ændres med en faktor på cirka 10.

"Ved at ændre formen, du kan absorbere lyset af en anden frekvens ved at kontrollere plasmoniske resonansforhold, "Pilgyu Kang, artiklens første forfatter og nu assisterende professor ved Mechanical Engineering Department ved George Mason University, anført. "Og ved mekanisk at kontrollere højden og bølgelængden af ​​grafenrynkerne, Jeg kan excitere forskellige overfladeplasmoner og dermed absorbere forskellig frekvens. I sidste ende, du får et justerbart filter."

Ved at vælge grafen som filter til infrarøde briller, brugeren kan dreje på en knap for mekanisk at strække og komprimere grafen. Det giver mulighed for en ændring af lysbølgelængden, der absorberes. Så som et eksempel på dens anvendelse, en solider kan således nemt indstille grafenfilteret til en ønsket bølgelængde for at matche den type kemikalie, han/hun leder efter.

"I et konventionelt filter, når du har lavet filteret, du er færdig, " konkluderede Nam. "Uanset størrelsen, der er én unik lysbølgelængde. Med grafen, afhængig af hvor meget du strækker og slipper, du kan kommunikere i forskellige lysbølgelængder."