(Phys.org) — Natuurkundigen hebben een nanodraadkooi gebouwd die een of meer golflengten van licht blokkeert om binnen te komen of te ontsnappen, maar laat vloeistoffen en gassen door de kleine openingen tussen de nanodraden. De "optische metacage" maakt gebruik van de optische eigenschappen van nanodraadstructuren, en zou toepassingen kunnen hebben, waaronder het beschermen van micro-organismen tegen straling, optisch afschermende nanofotonica-componenten, en lasergestuurde medicijnafgifte.

De onderzoekers, Ali Mirzaei, et al., aan de Australische Nationale Universiteit, hebben een artikel gepubliceerd over de optische metacage in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

"We hebben een nieuwe klasse optische en elektromagnetische afschermingsstructuren geïntroduceerd op basis van nanodraden, " vertelde Mirzaei Phys.org . "Deze structuren, die we metacages noemen, kan zowel breedband als smalband elektromagnetische afscherming bieden. Opmerkelijk, metacages kunnen worden ontworpen met grote openingen tussen de nanodraden, met voldoende ruimte om vloeistoffen en gassen vrij door te laten. Het discrete karakter van metacages biedt een grote flexibiliteit bij het ontwerpen van afschermingsstructuren met bijna willekeurige vormen."

In sommige opzichten, de optische metacage is vergelijkbaar met een onzichtbaarheidsmantel, aangezien beide soorten apparaten objecten beschermen tegen elektromagnetische straling. Echter, de optische metacage blijft zichtbaar terwijl onzichtbaarheidsmantels dat niet doen. Ook in tegenstelling tot onzichtbaarheidsmantels, de optische metacage kan objecten van willekeurige vorm afschermen, die de wetenschappers demonstreerden door een metacage te bouwen in de vorm van Australië.

De optische metacage kan worden gemaakt van verschillende soorten nanodraden (halfgeleiders, keramiek, of metalen) met verschillende aantallen lagen, inclusief twee- en drielaagse structuren. De nanodraden zijn zo uit elkaar geplaatst dat de openingen ertussen ongeveer zo groot zijn als de straal van de nanodraad. Licht kan niet door deze openingen gaan omdat de nanodraden licht absorberen dat binnen dit korte bereik komt. De grenslijnen tussen het gebied waar het licht dichtbij genoeg is om door de nanodraad te worden geabsorbeerd en het gebied waar het rond de nanodraad stroomt zonder te worden geabsorbeerd, worden 'separatrices' genoemd.

Om te voorkomen dat licht door de metacage gaat, de nanodraden zelf hoeven elkaar niet te overlappen, maar de separatrices van aangrenzende nanodraden moeten elkaar overlappen. Dit is de reden waarom de metacage gaten kan hebben terwijl de lichttransmissie nog steeds wordt geblokkeerd. Om de separatrices te berekenen, moet niet alleen rekening worden gehouden met individuele nanodraden, maar ook de interacties tussen meerdere nanodraden.

De optische metacage kan worden ontworpen om een ​​breed scala aan golflengten te blokkeren door de grootte van de openingen aan te passen. Door de spleetgrootte te verkleinen tot ongeveer 5-20 nm, toonden de onderzoekers aan dat het mogelijk is om bandbreedtes tot 600 nm af te schermen, die groot genoeg is om het gehele zichtbare bereik af te schermen. Metacages kunnen ook worden ontworpen om twee verschillende golflengten tegelijk te blokkeren (zoals 440 nm en 600 nm), terwijl het licht van andere golflengten doorlaat.

Hoewel deze lacunes relatief klein zijn, ze zijn groot genoeg om vloeistof- en gasmoleculen door te laten. Dit vermogen maakt de metacages veelbelovend voor biologische toepassingen, waar ze kunnen worden gebruikt om levende micro-organismen en cellen te beschermen tegen straling, terwijl voedingsstoffen en water kunnen binnendringen om de levende wezens in leven te houden.

De metacages kunnen ook worden gebruikt in optische circuits, waar ze circuitcomponenten optisch konden isoleren om ongewenste interferentie te elimineren. Een andere mogelijke toepassing is de toediening van medicijnen, waar kooien met medicijnen kunnen worden gebruikt voor gecontroleerde afgifte van medicijnen.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan deze toepassingen verder te onderzoeken en nieuwe metacageconfiguraties te ontwerpen.

"Het idee om de separatrices te overlappen en de golfvoortplanting te blokkeren door arrays van nanodraden, kan worden uitgebreid naar andere nanostructuren, zoals nanobolletjes, die complete 3D-metacages kunnen vormen, ' zei Mirzaei.

© 2015 Fys.org