(PhysOrg.com) -- Een spel op nanoschaal van "nu zie je het, nu doe je dat niet" kan bijdragen aan het creëren van metamaterialen met nuttige optische eigenschappen die actief kunnen worden gecontroleerd, volgens wetenschappers van Rice University.

Een Rice-laboratorium onder leiding van scheikundige Stephan Link heeft een manier ontdekt om vloeibare kristallen te gebruiken om licht te beheersen dat wordt verstrooid door gouden nanostaafjes. De onderzoekers gebruiken spanning om de uitlijning van vloeibare kristalmoleculen gevoelig te manipuleren die afwisselend het licht van de deeltjes blokkeren en onthullen; de gouden nanostaafjes verzamelen licht en zenden het opnieuw uit in een specifieke richting.

Het onderzoek werd gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Het lijkt simpel, maar Link zei dat de techniek twee jaar nodig had om te verfijnen tot het punt waarop het licht van de nanodeeltjes volledig kon worden gecontroleerd.

"De sleutel tot onze aanpak is de rotatie in het vlak van vloeibaar-kristalmoleculen die individuele gouden nanostaafjes bedekken die fungeren als optische antennes, " zei Link, een assistent-professor scheikunde en elektrische en computertechniek. "Het was opwindend om te leren hoe onze apparaten werken en heeft ons veel ideeën opgeleverd over hoe we licht op nanoschaal kunnen manipuleren."

Link zei dat het apparaat eigenlijk een super halfgolfplaat is, een verfijnde versie van een standaardapparaat dat de polarisatie van licht verandert.

Met het nieuwe toestel het team verwacht licht van elke nanostructuur die verstrooit te kunnen controleren, absorbeert of straalt licht uit, zelfs kwantumdots of koolstofnanobuisjes. "Het licht hoeft alleen maar gepolariseerd te zijn om dit te laten werken, " zei Link, die de plasmonische eigenschappen van nanodeeltjes bestudeert en onlangs een perspectief op het recente onderzoek van zijn groep in plasmonics schreef voor de Journal of Physical Chemistry Letters. (Bekijk hier een video van Link en zijn team.)

Bij gepolariseerd licht, als zonlicht weerkaatst op water, de golven van het licht zijn uitgelijnd in een bepaald vlak. Door de richting van hun uitlijning te veranderen, vloeibare kristallen kunnen licht afstembaar blokkeren of filteren.

Het Rice-team gebruikte gouden nanostaafjes als hun gepolariseerde lichtbron. De staven fungeren als optische antennes; wanneer verlicht, hun oppervlakteplasmonen zenden licht opnieuw uit in een specifieke richting.

In hun experiment hebben het team plaatste willekeurig afgezette nanostaafjes in een reeks afwisselende elektroden op een glasplaatje; ze voegden een vloeibaar kristalbad en een dekglaasje toe. Een polyimidecoating op het bovenste dekglaasje dwong de vloeibare kristallen om zich evenwijdig aan de elektroden te oriënteren.

Vloeibare kristallen in deze homogene fase blokkeerden licht van nanostaafjes die in één richting waren gedraaid, terwijl licht van nanostaafjes op een andere manier door een polarisator naar de detector ging.

Wat er toen gebeurde was opmerkelijk. Toen het team slechts vier volt op de elektroden aanbracht, vloeibare kristallen die in de buurt van de nanostaafjes drijven, lijnden zich uit met het elektrische veld tussen de elektroden, terwijl kristallen boven de elektroden, nog onder invloed van de dekglaasje coating, bleef zitten.

De nieuwe configuratie van de kristallen - een gedraaide nematische fase genoemd - werkte als een sluiter die de signalen van de nanostaafjes schakelde als een verkeerslicht.

"We denken niet dat dit effect afhangt van de gouden nanostaafjes, "Zei Link. "We zouden andere nano-objecten kunnen hebben die op een gepolariseerde manier met licht reageren, en dan zouden we hun intensiteit kunnen moduleren. Het wordt een afstembare polarisator."

Cruciaal voor het succes van het experiment was de opening - in de buurt van 14 micron - tussen de bovenkant van de elektroden en de onderkant van het dekglaasje. "De dikte van deze opening bepaalt de hoeveelheid rotatie, "Zei Link. "Omdat we de gedraaide nematische in-plane hebben gemaakt en een bepaalde dikte hebben, we krijgen altijd 90 graden rotatie. Dat maakt het een super halfgolfplaat."

Link ziet een groot potentieel voor de techniek bij gebruik met een reeks nanodeeltjes die in specifieke richtingen zijn georiënteerd, waarin elk deeltje volledig controleerbaar zou zijn, als een schakelaar.