Nu zie je het, nu doe je dat niet. In boeken en films, tovenaars gebruiken magische spreuken om het zichtbare doorzicht te maken.

In werkelijkheid, materialen met eigenschappen die faseovergangen worden genoemd, kunnen een vergelijkbare truc uithalen, veranderen van helder naar bewolkt, afhankelijk van de temperatuur of de toepassing van een elektrisch veld.

Een multi-institutioneel team van onderzoekers heeft een manier ontwikkeld om nauwkeurig de temperaturen te ontwikkelen waarbij vanadiumdioxide - een materiaal dat wordt gebruikt in hightech-toepassingen, variërend van huizen tot satellieten - een faseovergang zal ondergaan. Hun werk, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , zou kunnen leiden tot nieuwe soorten afstembare materialen voor optica, camouflage en thermische regulering.

"Eigenlijk, elke optische component zou beter zijn als hij afstembaar was, " zegt Michail Kats, senior auteur van de studie en een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison.

In plaats van te vertrouwen op mechanische componenten om een ​​cameralens of telescoopoculair scherp te stellen, een afstembaar materiaal zou zijn aangeboren optische eigenschappen op verzoek kunnen veranderen.

Wetenschappers weten al meer dan 50 jaar dat stoffen zoals vanadiumdioxide kunnen overgaan van ondoorzichtig naar transparant. Echter, deze materialen schakelen doorgaans onder slechts één bepaalde reeks omstandigheden, hun toepasbaarheid beperken.

"In de meeste faseovergangsmaterialen, de verandering vindt plaats onder omstandigheden die ver van kamertemperatuur zijn, en zijn dus moeilijk in bruikbare apparaten op te nemen, ' zegt Kats.

De onderzoekers veranderden niet alleen het intrinsieke verschuivingspunt van vanadiumdioxide van 155 graden Fahrenheit tot onder de 70 graden, ze hebben met succes de overgang voor dat materiaal afgestemd op een verscheidenheid aan specifieke temperaturen, variërend van typisch binnencomfort tot medium-zeldzame hamburger.

"Deze bevinding gaat nieuwe grenzen openen in fotonische apparaten, " zegt medewerker Shriram Ramanathan, een professor in materiaalkunde aan de Purdue University.

Aanvullend, omdat optische en fysische eigenschappen voortkomen uit dezelfde onderliggende fysische principes, de thermische en elektrische geleidbaarheid van vanadiumdioxide verschuiven ook met de overgang. Dit soort materialen kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, in woningen als 'slimme' muren of ramen die reageren op de omgeving.

"Objecten die zijn ontworpen om efficiënt licht uit te stralen bij hoge temperaturen, maar niet bij lage temperaturen, kunnen worden gebruikt als puur passieve temperatuurregelaars die geen externe circuits of stroombronnen nodig hebben, ' zegt Kats.

Materialen met deze ongekende veelzijdigheid zouden ook nieuwe soorten thermische camouflage kunnen creëren.

"Structuren die zijn ontworpen om dezelfde hoeveelheid warmtestraling uit te zenden, ongeacht de temperatuur, kunnen worden gebruikt om objecten voor infraroodcamera's te verbergen, ' zegt Kats.

Eerder, onderzoekers die probeerden de overgangstemperaturen van vanadiumdioxide te veranderen, introduceerden onzuiverheden terwijl ze probeerden het gehele oppervlak van het materiaal uniform te veranderen.

In plaats daarvan, Kats en collega's bombardeerden specifieke gebieden van het vanadiumdioxide met energetische ionen. Ionenstraling veroorzaakt defecten in materialen, meestal een onbedoelde bijwerking. Echter, medewerker Carsten Ronning, een professor in de vastestoffysica aan de Friedrich Schiller Universiteit van Jena in Duitsland, zegt dat het voorschot van de onderzoekers inspeelt op die gebreken.

"Het mooie van onze aanpak is dat we profiteren van de 'ongewenste' gebreken, " hij zegt.

Door de ionenstraal op specifieke delen van een oppervlak te richten, konden de onderzoekers het materiaal op nanoschaal wijzigen.

"We kunnen de overgangstemperatuur overal op het monster nauwkeurig regelen, met een nauwkeurigheid van ongeveer 20 nanometer, " zegt Kats. "We hebben deze methode kunnen gebruiken om effectieve materialen te creëren die tegelijkertijd meerdere faseovergangen hebben."

Met deze techniek konden ze een nieuwe optische polarisator ontwerpen en maken die de selectiviteit verandert op basis van de temperatuur.