Een materiaalcoating waarvan de lichtbrekingseigenschappen nauwkeurig tussen verschillende toestanden kunnen worden geschakeld, is ontwikkeld door een interdisciplinair onderzoeksteam van de afdelingen Scheikunde en Natuurkunde van de Universiteit van Jena. Het team, onder leiding van Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel en Isabelle Staude, combineerde polymeren die op licht reageren met zogenaamde metasurfaces.

Deze innovatie heeft geleid tot de creatie van nieuwe optische componenten die mogelijk kunnen worden gebruikt bij signaalverwerking. Hun bevindingen zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Het combineren van twee gevestigde systemen om iets nieuws te creëren

‘Zowel metasurfaces als lichtschakelbare polymeren zijn in principe al tientallen jaren bekend’, legt Sarah Walden van het Institute of Solid State Physics uit, die nu leiding geeft aan een onderzoeksgroep in Australië. Ze voegt eraan toe:"Maar wij zijn de eersten die beide in deze vorm combineren om nieuwe componenten voor optische toepassingen te ontwikkelen."

Metasurfaces zijn nanogestructureerde dunne lagen waarvan de karakteristieke structurele afmetingen kleiner zijn dan de golflengte van licht. Hierdoor kunnen de eigenschappen van licht en de voortplanting ervan specifiek worden beïnvloed, waardoor een verscheidenheid aan optische functies mogelijk wordt gemaakt die anders door lenzen, polarisatoren of roosters zouden worden uitgevoerd. Aan de andere kant zijn schakelbare polymeren kunststoffen waarvan de eigenschappen, zoals de lichtbrekingsindex, tussen verschillende toestanden kunnen veranderen.

"De polymeren die we gebruikten bevatten kleurstofmoleculen", vervolgt Felix Schacher van het Instituut voor Organische Chemie en Macromoleculaire Chemie. "Dit betekent dat ze licht van een bepaalde golflengte absorberen en daardoor hun structuur veranderen - en dus hun eigenschappen, zoals in dit geval de brekingsindex van licht."

Om de kleurstof terug te brengen naar de vorige structuur met de bijbehorende eigenschap, is licht met een andere golflengte nodig. "Het bijzondere aan ons systeem", legt natuurkundige Isabelle Staude uit, "is dat de veranderingen in de brekingsindex de optische eigenschappen van het metasoppervlak beïnvloeden wanneer het wordt gecoat met een dergelijk polymeer."

De bereikte veranderingen waren verrassend significant, zelfs vergeleken met eerder bekende soortgelijke systemen. "Omdat de polymeren afhankelijk van de kleurstof een verschillende absorptie vertonen, kunnen verschillende effecten heel goed van elkaar worden gescheiden of gecombineerd", vat de natuurkundige samen.

Ongebruikelijk fysiek gedrag

Naast dit veelbelovende resultaat deed het team een ​​verrassende ontdekking. "In ons werk hebben we twee verschillende kleurstoffen afzonderlijk gebruikt, elk aangebracht op een metasurface. Dit bevestigde het effect", legt Schacher uit. "Bij het mengen van beide schakelbare polymeren treden echter extra effecten op", meldt hij. "We vermoeden dat de twee verschillende kleurstofmoleculen met elkaar interageren, maar we kunnen het op dit moment niet met zekerheid zeggen." Verder onderzoek is nodig om dit interessante gedrag te verhelderen.

Hoewel de primaire focus bij deze schakelbare oppervlakken lag op het demonstreren van het basisprincipe, kan de onderzoeksgroep verschillende toepassingen bedenken. "Aangezien deze oppervlakken met licht tussen verschillende eigenschappen kunnen schakelen, is sensortechnologie een natuurlijk toepassingsgebied", aldus de onderzoekers.

Het is ook denkbaar dat dergelijke schakelbare oppervlakken kunnen worden gebruikt voor optische gegevensverwerking. "Het zou ons team natuurlijk een groot plezier doen als deze componenten bijvoorbeeld zouden kunnen worden gebruikt voor optische neurale netwerken, die vervolgens beeldinformatie zouden kunnen verwerken op dezelfde manier als elektronische kunstmatige intelligentie nu kan", zegt Schacher.

"Omdat dit soort gegevensverwerking echter gebaseerd is op licht in plaats van op elektronica, is het aanzienlijk energiezuiniger en sneller dan traditionele computergebaseerde AI."

Meer informatie: Sarah L. Walden et al, tweekleurige ruimtelijk opgeloste afstemming van met polymeer gecoate metasurfaces, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11760

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Friedrich Schiller Universiteit van Jena