Изучая гель, созданный из расслоенных растворов с добавкой наночастиц диоксида кремния и застывающий при нагревании, учёные нашли не обычный и раньше не встречавшийся оптический эффект.
В технике различных сфер — от бытового использования до научных исследований — часто ставится задача пропускать сквозь устройство электромагнитное излучение определённых длин волн и частот, а остальное задерживать. Другими словами, необходим фильтр электромагнитного излучения, к которому относятся, например, светофильтры для фотоаппарата или контуры настройки в радиоприемнике. Основной характеристикой такого фильтра является… полоса— спектр длин волн, которые допускаются или поглощаются.
Радиоволновые фильтры пропускают необходимый диапазон длин волн и могут быть настроены благодаря регулировке параметров электронных компонентов.
Изготовление настраиваемых фильтров в более коротких волновых диапазонах электромагнитного излучения, например, видимого света, значительно сложнее. На таких частотах не функционируют электронные компоненты. В обычных светофильтрах применяются красители, но у них фиксированные полосы поглощения. Ширина и положение этих полос зависят от структуры молекул, а в их строении сложно произвести какие-либо изменения.
Ограниченный и неизменный набор полос поглощения красителей определяет принцип работы регулируемых оптических фильтров. интерференции и других физических явлений, и это довольно сложные приборы.
Группа исследователей из Национального института стандартов и технологий США под руководством Юиня Си провела исследования. создалаМатериал для оптического фильтра с регулируемой полосой пропускания при нагревании и охлаждении. доложили в журнале Nature.
Открытие было частично случайным. Авторы изучали свойства материала SeedGel, аналогичного силикагелю, пригодного для использования в аккумуляторах, водных фильтрах, изготовлении искусственных биологических тканей и других технологиях.
Рецепт этого удивительного материала весьма прост. В нём три составляющие: органический растворитель 2,6-лутидин (диметилпиридин), вода и сферические наночастицы диоксида кремния (кремнезёма) диаметром 27 нанометров.
Материал SeedGel обладает необычными свойствами: при повышении температуры он затвердевает. При температуре ниже плюс 26 градусов Цельсия лутидин смешивается с водой. При нагревании растворимость уменьшается, жидкость разделяется на два слоя — раствор лутидина в воде и раствор воды в лутидине. Химики знают много подобных систем, но здесь компоненты подобраны таким образом, чтобы наночастицы концентрировались в водной фазе.
До разделимости частицы размещаются равномерно в жидкости, создавая прозрачность. коллоидный растворРасслоение заставляет частицы «столпиться» в объеме водной фазы — вдвое меньше, чем прежде. Частицы приходят в контакт друг с другом и сцепляются, фиксируя участки водной фазы в момент их образования и не давая им слиться. В результате образуется твердая структура, где водная и органическая фазы чередуются на микроскопическом масштабе.
Кремнезём имеет размеры частиц (27 нанометров), которые значительно меньше длины волны видимого света (400—760 нанометров). Из-за этого кремнезём и вода образуют единое целое. Участки фаз достигают трёх-четырёх микрон, поэтому свет их хорошо воспринимает и сильно рассеивается при многократном прохождении через границы.
В чем же секрет окраски геля, если вода, кремнезём и лутидин бесцветные? показателях преломления и дисперсииВ зависимости от длины волны вещества преломляют синий свет сильнее, чем красный. В растворах показатель преломления зависит от состава, а в расслоенных жидкостях состав каждого слоя сильно зависит от температуры, подобно тому, как меняется растворимость солей в воде.
У лутидина и кремнезема показатель преломления большой, а у воды — малый.
При нагревании в органической фазе количество лутидина увеличивается, а воды — уменьшается, вследствие чего показатель преломления растет. В водно-кремнеземной фазе с нагревом концентрация лутидина снижается, и вместе с ней уменьшается показатель преломления. При определенной температуре показатели преломления обеих фаз сравняются, рассеяние исчезнет, поскольку отклонение света на границе фаз происходит только при разности коэффициентов преломления.
Обнуление происходит только на определенной длине волны из-за различий в зависимости показателя преломления от длины волны у двух фаз. Лутидиновая фаза на одном конце спектра преломляет свет чуть слабее, чем водно-кремнеземная, на другом — сильнее, а посередине показатели равняются. При разных температурах точка равенства оказывается на разных длинах волн.
Связь между пропускаемой длиной волны и температурой оказалась выраженной. При 27,1 градусе материал пропускал синий свет, а при 27,7 — уже зеленый. Ширина полосы пропускания в образцах также не соответствовала идеалу и составляла десятки нанометров. Однако открытие не равно практическому применению: второе часто следует за первым далеко не сразу. Поиск оптимального материала и конструкции светофильтра, меняющего цвет от нагрева, еще предстоит.