Schuim is meer dan op het eerste gezicht lijkt. Letterlijk. Een onderzoek door wetenschappers van Princeton heeft aangetoond dat een type schuim dat lang door wetenschappers is bestudeerd, bepaalde golflengten van licht kan blokkeren, een begeerde eigenschap voor informatietechnologie van de volgende generatie die licht gebruikt in plaats van elektriciteit.

De onderzoekers, integratie van expertise uit de materiaalkunde, scheikunde en natuurkunde, voerde uitgebreide computersimulaties uit van een structuur die bekend staat als een Weaire-Phelan-schuim. Ze ontdekten dat dit schuim sommige lichtfrequenties zou doorlaten terwijl het andere volledig weerkaatste. Deze selectieve blokkering, bekend als een fotonische bandkloof, is vergelijkbaar met het gedrag van een halfgeleider, het basismateriaal achter alle moderne elektronica vanwege zijn vermogen om de stroom van elektronen op extreem kleine schaal te regelen.

"Dit heeft de eigenschap die we willen:een omnidirectionele spiegel voor een bepaald frequentiebereik, " zei Salvatore Torquato, hoogleraar scheikunde en het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Torquato, de Lewis Bernard hoogleraar natuurwetenschappen, publiceerde de resultaten 6 november in de Proceedings van de National Academy of Science , met coauteurs Michael Klatt, een postdoctoraal onderzoeker, en natuurkundige Paul Steinhardt, die Princeton's Albert Einstein Professor in Science is.

Hoewel er eerder talloze voorbeelden van fotonische bandgaten zijn aangetoond in verschillende soorten kristallen, de onderzoekers geloven dat hun nieuwe bevinding het eerste voorbeeld is in een schuim, vergelijkbaar met het schuim van zeepbellen of een biertje van de tap. In tegenstelling tot het ongeordende schuim van bier, het Weaire-Phelan-schuim is een nauwkeurig gestructureerd arrangement met diepe wortels in wiskunde en natuurkunde.

De oorsprong van het Weaire-Phelan-schuim dateert uit 1887 toen de Schotse natuurkundige Lord Kelvin een structuur voorstelde voor de "ether, " de mysterieuze substantie waarvan toen werd gedacht dat het een achtergrondstructuur voor alle ruimte vormde. Hoewel het concept van de ether toen al uit de gratie raakte, Het door Kelvin voorgestelde schuim bleef wiskundigen een eeuw lang intrigeren omdat het de meest efficiënte manier bleek te zijn om de ruimte te vullen met in elkaar grijpende geometrische vormen die een zo klein mogelijk oppervlak hebben.

In 1993, natuurkundigen Denis Weaire en Robert Phelan vonden een alternatieve opstelling die iets minder oppervlakte vereist. Vanaf dat moment, belangstelling voor de Weaire-Phelan-structuur lag vooral in de wiskunde, natuurkunde en artistieke gemeenschappen. De structuur werd gebruikt als de buitenmuur van de "Beijing Water Cube", gemaakt voor de Olympische Spelen van 2008. De nieuwe bevinding maakt de structuur nu interessant voor materiaalwetenschappers en technologen.

"Je begint met een klassieke, mooi probleem in geometrie, in wiskunde, en nu heb je ineens dit materiaal dat een fotonische band gap opent, ' zei Torquato.

Torquato, Klatt en Steinhardt raakten geïnteresseerd in het Weaire-Phelan-schuim als een raakvlak van een ander project waarin ze "hyperuniforme" ongeordende materialen onderzochten als een innovatieve manier om licht te beheersen. Hoewel niet hun oorspronkelijke focus, de drie realiseerden zich dat dit precies gestructureerde schuim intrigerende eigenschappen had.

"Beetje bij beetje, het werd duidelijk dat hier iets interessants was, ' zei Torquato. 'En uiteindelijk zeiden we:"OK, laten we het hoofdproject een tijdje opzij zetten om dit voort te zetten.""

"Kijk altijd uit naar wat er in de weg staat van onderzoek, ', voegde Klat toe.

Weaire, die niet betrokken was bij deze nieuwe bevinding, zei dat de ontdekking van Princeton deel uitmaakt van een groeiende interesse in het materiaal sinds hij en Phelan het ontdekten. Hij zei dat het mogelijke nieuwe gebruik in optica waarschijnlijk voortkomt uit het feit dat het materiaal erg isotroop is, of niet met sterk directionele eigenschappen.

"Het feit dat het een fotonische band gap vertoont, is erg interessant omdat het zoveel speciale eigenschappen blijkt te hebben, " zei Andrew Kraynik, een expert in schuimen die zijn Ph.D. in de chemische technologie van Princeton in 1977 en heeft het Weaire-Phelan-schuim uitgebreid bestudeerd, maar was niet betrokken bij de Princeton-studie. Nog een Princeton-verbinding, zei Kraynik, is dat een belangrijk hulpmiddel bij het ontdekken en analyseren van het Weaire-Phelan-schuim een ​​softwarehulpmiddel is genaamd Surface Evolver, die vormen optimaliseert op basis van hun oppervlakte-eigenschappen en is geschreven door Ken Brakke, die zijn Ph.D. in wiskunde aan Princeton in 1975.

Om aan te tonen dat het Weaire-Phelan-schuim de lichtregulerende eigenschappen vertoonde waarnaar ze op zoek waren, Klatt ontwikkelde een nauwgezette reeks berekeningen die hij uitvoerde op de supercomputerfaciliteiten van het Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

"De programma's die hij moest uitvoeren zijn echt rekenintensief, ' zei Torquato.

Het werk opent tal van mogelijkheden voor verdere uitvindingen, zeiden de onderzoekers, die het nieuwe werkgebied "phoamtonics" noemde (een mengeling van "foam" en "photonics"). Omdat schuimen van nature voorkomen en relatief eenvoudig te maken zijn, een mogelijk doel zou zijn om grondstoffen over te halen om zichzelf te organiseren in de precieze opstelling van het Weaire-Phelan-schuim, zei Torquato.

Met verdere ontwikkeling, het schuim kon licht dat in telecommunicatie wordt gebruikt, transporteren en manipuleren. Momenteel wordt een groot deel van de gegevens die het internet doorkruisen, vervoerd door glasvezels. Echter, op zijn bestemming, het licht wordt weer omgezet in elektriciteit. Fotonische bandgapmaterialen zouden het licht veel nauwkeuriger kunnen geleiden dan conventionele glasvezelkabels en zouden kunnen dienen als optische transistoren die berekeningen uitvoeren met behulp van licht.

"Wie weet?" zei Torquato. "Als je dit als resultaat hebt, dan biedt het experimentele uitdagingen voor de toekomst."