Onderzoekers van het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester hebben optische apparaten gemaakt met een uniek bereik aan afstembaarheid, die het hele elektromagnetische spectrum bestrijken, inclusief zichtbaar licht.

Een paper gepubliceerd in Natuurfotonica schetst toepassingen voor deze 'smart surface'-technologie, variërend van display-apparaten van de volgende generatie tot dynamische thermische dekens voor satellieten en multi-spectrale adaptieve camouflage.

De afstembaarheid van de apparaten wordt bereikt door een proces dat bekend staat als elektro-intercalatie, wat in dit geval inhoudt dat lithiumionen worden geplaatst tussen vellen meerlaags grafeen (MLG), biedt controle over elektrische, thermische en magnetische eigenschappen.

Het MLG-apparaat is gelamineerd en vacuüm verzegeld in een zakje van polyethyleen met lage dichtheid dat meer dan 90% optische transparantie heeft van zichtbaar licht tot microgolfstraling.

Charge wordt grijs tot goud

Tijdens laden (intercalatie) of ontladen (de-intercalatie), de elektrische en optische eigenschappen van MLG veranderen drastisch. Het ontladen apparaat lijkt donkergrijs vanwege het hoge absorptievermogen (> 80%) van de bovenste grafeenlaag in het zichtbare regime. Wanneer het apparaat volledig is opgeladen (bij ~3,8V), de grafeenlaag lijkt goud van kleur. De haalbare kleurruimte kan worden verrijkt met een bereik van rood tot blauw met behulp van optische effecten zoals dunnefilminterferentie.

Professor Coskun Kocabas, hoofdauteur van de studie, zei:"We hebben een nieuwe klasse van multispectrale optische apparaten gefabriceerd met een voorheen onbereikbaar kleurveranderingsvermogen door grafeen- en batterijtechnologie samen te voegen.

"De succesvolle demonstratie van op grafeen gebaseerde slimme optische oppervlakken maakt potentiële vooruitgang mogelijk op veel wetenschappelijke en technische gebieden."

Bijvoorbeeld, een dynamische thermische deken kan selectief zichtbaar of infrarood licht reflecteren en een satelliet in staat stellen straling te reflecteren vanaf de zijde die naar de zon is gericht, terwijl hij straling uitzendt van zijn beschaduwde gezichten. evenzo, wanneer in de schaduw van de aarde, die deken kan de satelliet isoleren tegen koeling in de diepe ruimte [zie onderstaande afbeelding]. Deze acties zouden de interne temperaturen veel effectiever reguleren dan een statische thermische coating.

Eerdere studies hebben apparaten onderzocht op specifieke golflengtebereiken van microgolven, terahertz, infrarood en zichtbaar, met behulp van enkel- en meerlaags grafeen. Maar het was de uitdaging om de dekking uit te breiden tot zichtbaar licht en tegelijkertijd optische activiteit op een langere golflengte te behouden die innovatie in de structuur van het apparaat vereiste, het overwinnen van gevestigde problemen bij de integratie van optische apparaten met elektrochemische cellen.

"Hier gebruikten we een op grafeen gebaseerde lithium-ionbatterij als optisch apparaat, " voegde hij eraan toe. "Door de elektronendichtheid van het grafeen te regelen, we zijn nu in staat om op hetzelfde apparaat licht van zichtbare tot microgolfgolflengten te regelen."

Nobelprijswinnaar professor Sir Kostya Novoselov was een co-auteur van het artikel en zei:"Grafeen met een paar lagen biedt ongekende controle over zijn optische eigenschappen door middel van opladen. Dergelijke apparaten kunnen hun toepassing vinden op vele gebieden:van adaptieve optica tot thermisch beheer."