Een team onder leiding van Twin Cities-onderzoekers van de University of Minnesota heeft een baanbrekend eenstapsproces ontdekt voor het maken van materialen met unieke eigenschappen, metamaterialen genoemd. Hun resultaten tonen de realistische mogelijkheid om vergelijkbare zelf-geassembleerde structuren te ontwerpen met het potentieel om "op bestelling gemaakte" nanostructuren te creëren voor brede toepassing in elektronica en optische apparaten.

Het onderzoek werd gepubliceerd en stond op de omslag van Nano-letters , een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door de American Chemical Society.

In het algemeen, metamaterialen zijn materialen die in het laboratorium zijn gemaakt om specifieke fysieke, chemisch, elektrisch, en optische eigenschappen die anders onmogelijk te vinden zijn in natuurlijk voorkomende materialen. Deze materialen kunnen unieke eigenschappen hebben waardoor ze ideaal zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, van optische filters en medische apparaten tot geluidsisolatie van vliegtuigen en infrastructuurbewaking. Gewoonlijk worden deze materialen op nanoschaal gedurende dagen en weken nauwgezet geproduceerd in een gespecialiseerde cleanroom-omgeving in een meerstaps fabricageproces.

In dit nieuwe onderzoek een team van de Universiteit van Minnesota bestudeerde een dunnefilmmateriaal genaamd strontiumstannaat of SrSnO3. Tijdens hun onderzoek hebben ze merkten de verrassende vorming van schaakbordpatronen op nanoschaal, vergelijkbaar met de metamateriaalstructuren die in de kostbare, proces met meerdere stappen.

"Eerst dachten we dat dit een vergissing moest zijn, maar realiseerde me al snel dat het periodieke patroon een mengsel is van twee fasen van hetzelfde materiaal met verschillende kristalstructuren", zei Bharat Jalan, de senior auteur van de studie en een expert in materiaalsynthese die de Shell-leerstoel is in de afdeling Chemical Engineering and Materials Science van de Universiteit van Minnesota. "Na overleg met collega's van de Universiteit van Minnesota, Universiteit van Georgië, en de City University van New York, we realiseerden ons dat we misschien iets heel speciaals hebben ontdekt dat mogelijk een aantal unieke toepassingen kan hebben."

Het materiaal was spontaan georganiseerd in een geordende structuur terwijl het van de ene fase naar de andere veranderde. Tijdens wat een proces van "structurele faseovergang van de eerste orde" wordt genoemd, het materiaal belandde in een gemengde fase waarin sommige delen van het systeem de overgang voltooiden en andere niet.

"Deze periodieke patronen op nanoschaal zijn het directe gevolg van de eerste-orde structurele faseovergang in dit materiaal, " zei professor Richard James, lucht- en ruimtevaarttechniek en mechanica van de Universiteit van Minnesota, een co-auteur van de studie en een Distinguished McKnight University Professor. "Voor de eerste keer, ons werk biedt een groot aantal mogelijkheden voor het gebruik van omkeerbare structurele fasetransformaties met nano-elektronische en fotonische systemen."

In feite, demonstreerde het team een ​​proces voor de allereerste, zelf samengesteld, afstembare nanostructuur om in slechts één stap metamaterialen te maken. De onderzoekers waren in staat om het vermogen om elektrische ladingseigenschappen op te slaan binnen een enkele film af te stemmen met behulp van temperatuur en lasergolflengte. Ze creëerden effectief een variabel fotonisch kristalmateriaal met een efficiëntie van 99 procent.

Met behulp van hoge resolutie elektronenmicroscopen, de onderzoekers bevestigden de unieke structuur van het materiaal.

"We zagen dat de grenzen tussen deze kristallografische fasen scherp waren gedefinieerd op atomaire schaal, wat opmerkelijk is voor een zelf-geassembleerd proces, " zei professor Andre Mkhoyan, een co-auteur van de studie, een expert in geavanceerde elektronenmicroscopie, en de Ray D. en Mary T. Johnson/Mayon Plastics Chair in de afdeling Chemical Engineering and Materials Science aan de Universiteit van Minnesota.

De onderzoekers kijken nu naar toekomstige toepassingen voor hun ontdekking in optische en elektronische apparaten.

“Toen we met dit onderzoek begonnen, we hebben nooit over deze toepassingen nagedacht. We werden gedreven door de fundamentele studie van de fysica van het materiaal, "Zei Jalan. "Nu, plotseling, we lijken een volledig nieuw onderzoeksgebied te hebben geopend, die wordt aangedreven door de mogelijkheid van veel nieuwe en opwindende toepassingen."