Aktualności

Obwody optyczne mają za zadanie zrewolucjonizować wydajność wielu urządzeń. Nie tylko są one 10 do 100 razy szybsze od obwodów elektronicznych, ale również zużywają znacznie mniej energii. W obrębie tych obwodów fale świetlne są kontrolowane przez niezwykle cienkie powierzchnie zwane metapowierzchniami. Skupiają one fale i ukierunkowują je w razie potrzeby. Na metapowierzchni w równych odstępach rozmieszczone są nanocząsteczki. Mogą one modelować fale elektromagnetyczne za pomocą fal o długości mikrometra.

Metapowierzchnie mogą umożliwić inżynierom tworzenie elastycznych obwodów fotonicznych i ultracienkich układów optycznych do wielu zastosowań. Na przykład od elastycznych tabletów po panele słoneczne o zwiększonej zdolności absorpcji światła. Mogą być one również wykorzystywane do tworzenia elastycznych czujników do bezpośredniego umieszczania na skórze pacjenta. Umożliwi to  pomiar impulsów i ciśnienia krwi lub do wykrywanie określonych związków chemicznych. Problem polega na tym, że tworzenie metapowierzchni przy użyciu konwencjonalnej metody – litografii, to wymagający proces. Z reguły trwa kilka godzin i musi być wykonany w sterylnym pomieszczeniu. Jednakże inżynierowie EPFL z Laboratorium Materiałów Fotonicznych i Urządzeń Włókienniczych (FIMAP) opracowali prostą metodę ich wytwarzania w ciągu kilku minut w niskich temperaturach – a czasem nawet w temperaturze pokojowej – bez potrzeby stosowania sterylnego pomieszczenia. Metoda School of Engineering EPFL pozwala na produkcję sztywnych lub elastycznych metapowierzchni ze szkła dielektrycznego. 

Przekształcanie słabości w siłę:

Nowa metoda wykorzystuje naturalny proces stosowany już w mechanice płynów: odwadnianie. Dzieje się tak, gdy cienka warstwa materiału jest osadzana na podłożu, a następnie podgrzewana. Ciepło powoduje, że folia cofa się i rozpada na drobne nanocząsteczki. „Odwarstwianie jest postrzegane jako problem w produkcji, ale postanowiliśmy wykorzystać je na naszą korzyść”, mówi Fabien Sorin. Dzięki tej metodzie inżynierowie po raz pierwszy byli w stanie stworzyć metapowierzchnie ze szkła dielektrycznego, a nie metapowierzchnie metaliczną.

Zaletą metapowierzchni dielektrycznych jest to, że pochłaniają one bardzo mało światła i mają wysoki współczynnik załamania światła, co umożliwia modulację światła, które przez nie przepływa. Aby zbudować te metapowierzchnie, inżynierowie najpierw stworzyli podłoże o pożądanej strukturze. Potem osadzili materiał – w tym przypadku szkło chalkogenidkowe – w cienkich warstwach o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. Podłoże było następnie podgrzewane przez kilka minut, aż do momentu, gdy szkło stało się bardziej płynne oraz nanocząsteczki miały rozmiary i umieszczone były w pozycjach narzuconych przez strukturę podłoża. Metoda ta jest tak wydajna, że może produkować metapowierzchnie bardzo wysokiej klasy z kilkoma poziomami nanocząsteczek lub w szeregach nanocząsteczek rozmieszczonych co 10 nm. To sprawia, że metapowierzchnie są bardzo wrażliwe na zmiany warunków otoczenia. Na przykład w celu wykrycia obecności nawet bardzo niskich stężeń biocząsteczek. „Jest to pierwszy przypadek wykorzystania odwadniania do tworzenia szklanych metapowierzchni. Zaletą jest to, że nasze metapowierzchnie są gładkie i regularne. Mogą one być łatwo wytwarzane na dużych powierzchniach i elastycznych podłożach”, mówi Sorin.

Źródło artykułu: https://nano-magazine.com/news/2019/2/12/next-generation-optics-in-just-two-minutes-of-cooking-time

Redaktor: Filip Elgert