Forskere udvikler ny et-trins proces til at skabe selvsamlede metamaterialer

Et hold ledet af University of Minnesota Twin Cities forskere har opdaget en banebrydende et-trins proces til at skabe materialer med unikke egenskaber, kaldet metamaterialer. Deres resultater viser den realistiske mulighed for at designe lignende selvsamlede strukturer med potentialet til at skabe "bygget på bestilling" nanostrukturer til bred anvendelse i elektronik og optiske enheder.

Forskningen blev offentliggjort og vist på forsiden af Nano bogstaver , et peer-reviewed videnskabeligt tidsskrift udgivet af American Chemical Society.

Generelt, metamaterialer er materialer fremstillet i laboratoriet for at give specifikke fysiske, kemisk, elektriske, og optiske egenskaber ellers umulige at finde i naturligt forekommende materialer. Disse materialer kan have unikke egenskaber, som gør dem ideelle til en række anvendelser fra optiske filtre og medicinsk udstyr til flys lydisolering og infrastrukturovervågning. Normalt produceres disse materialer i nanoskala omhyggeligt i et specialiseret renrumsmiljø over dage og uger i en flertrins fremstillingsproces.

I denne nye forskning, et team fra University of Minnesota studerede et tyndfilmsmateriale kaldet strontiumstannat eller SrSnO3. Under deres forskning, de bemærkede den overraskende dannelse af skakternet mønstre i nanoskalaen, der ligner de metamaterialestrukturer, der er fremstillet i de dyre, flertrins proces.

"Først troede vi, at det her måtte være en fejl, men indså hurtigt, at det periodiske mønster er en blanding af to faser af det samme materiale med forskellige krystalstrukturer," sagde Bharat Jalan, den seniorforfatter af undersøgelsen og en ekspert i materialesyntese, som er Shell Chair i University of Minnesota's Department of Chemical Engineering and Materials Science. "Efter at have rådført sig med kolleger ved University of Minnesota, University of Georgia, og City University of New York, vi indså, at vi måske har opdaget noget ganske særligt, der potentielt kan have nogle unikke applikationer."

Materialet havde spontant organiseret sig i en ordnet struktur, da det ændrede sig fra en fase til en anden. Under det, der kaldes en "førsteordens strukturel faseovergangsproces", materialet flyttede ind i en blandet fase, hvor nogle dele af systemet fuldførte overgangen og andre ikke.

"Disse periodiske mønstre på nanoskala er den direkte konsekvens af den første ordens strukturelle faseovergang i dette materiale, " sagde University of Minnesota rumfartsteknik og mekanik professor Richard James, en medforfatter af undersøgelsen og en Distinguished McKnight University Professor. "For første gang, vores arbejde muliggør et væld af muligheder for at udnytte reversible strukturelle fasetransformationer med nanoelektroniske og fotoniske systemer."

Faktisk, holdet demonstrerede en proces for den første nogensinde, selvmonteret, justerbar nanostruktur til at skabe metamaterialer i kun et trin. Forskerne var i stand til at justere evnen til at lagre elektrisk ladningsegenskaber i en enkelt film ved hjælp af temperatur og laserbølgelængde. De skabte effektivt et variabelt fotonisk krystalmateriale med 99 procent effektivitet.

Ved hjælp af højopløselige elektronmikroskoper, forskerne bekræftede materialets unikke struktur.

"Vi observerede, at grænserne mellem disse krystallografiske faser var skarpt defineret på atomær skala, hvilket er bemærkelsesværdigt for en selvsamlet proces, " sagde professor Andre Mkhoyan, en medforfatter til undersøgelsen, ekspert i avanceret elektronmikroskopi, og Ray D. og Mary T. Johnson/Mayon Plastics-stolen i afdelingen for kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota.

Forskerne ser nu på fremtidige applikationer til deres opdagelse i optiske og elektroniske enheder.

"Da vi startede denne forskning, vi har aldrig tænkt over disse applikationer. Vi var drevet af det grundlæggende studie af materialets fysik, " sagde Jalan. "Nu, lige pludselig, vi ser ud til at have åbnet et helt nyt forskningsområde, som er drevet af muligheden for mange nye og spændende applikationer."