В ходе изучения геля, формирующегося из расслаивающихся растворов с добавлением наночастиц диоксида кремния и подвергающегося затвердеванию при нагревании, исследователи выявили ранее не наблюдавшийся и необычный оптический эффект.
В различных сферах, от бытовых нужд до научных исследований, часто возникает необходимость в устройствах, способных пропускать электромагнитное излучение определенных длин волн и частот, блокируя при этом все остальные. Иными словами, требуется создать фильтр электромагнитного излучения, примером которых являются светофильтры для фотоаппаратов и контуры настройки в радиоприемниках. Ключевым параметром фильтра является его полоса — спектр длин волн, которые он пропускает или поглощает.
Радиоволновые фильтры предназначены для пропускания конкретного диапазона длин волн. Их настройка также достаточно проста: они создаются из электронных компонентов, параметры которых поддаются регулировке.
Создание настраиваемого фильтра затруднено в диапазонах электромагнитного излучения с более короткой длиной волны, например, в видимом свете. Электронные компоненты не функционируют на таких высоких частотах. В обычных светофильтрах применяются красители, однако они характеризуются постоянными полосами поглощения. Параметры этих полос, включая их ширину и положение, зависят от структуры молекул красителей, которые сложно изменить.
В связи с ограниченным и фиксированным набором полос поглощения красителей, регулируемые оптические фильтры создаются на основе явления интерференции и других физических явлений, и это довольно сложные приборы.
Ученые из Национального института стандартов и технологий США под руководством Юинь Си провели исследование) создала материал для перестраиваемого оптического фильтра, положение полосы пропускания которого можно регулировать простым нагревом и охлаждением. О своей разработке они доложили в журнале Nature.
Обнаружение произошло несколько неожиданным образом. Исследователи изучали характеристики материала SeedGel, похожего на силикагель и применимого в аккумуляторах, фильтрах для воды, при создании искусственных биологических тканей и в других технологиях.
Для создания этого уникального материала требуется несложный процесс, включающий три составляющих: органический растворитель 2,6-лутидин (диметилпиридин), вода и сферические наночастицы диоксида кремния (кремнезёма) диаметром 27 нанометров.
Одной из характерных особенностей материала SeedGel является его способность затвердевать при нагревании. До достижения 26 градусов Цельсия лутидин растворяется в воде, однако при повышении температуры растворимость снижается, что приводит к разделению жидкости на два слоя, или фазы: раствор лутидина в воде и раствор воды в лутидине. Хотя химикам известны и другие подобные системы, в данном случае компоненты подобраны таким образом, чтобы наночастицы концентрировались в одной из водных фаз.
До расслоения частицы равномерно распределены в жидкости, образуя прозрачный коллоидный раствор. Из-за расслоения они концентрируются в водной фазе, занимая объем, вдвое меньший, чем раньше. Частицы вступают в контакт и соединяются, фиксируя образующиеся участки водной фазы и препятствуя их слиянию. Это приводит к формированию твердой структуры, где водные и органические фазы чередуются на микроскопическом уровне.
Стоит подчеркнуть, что размер частиц кремнезёма (27 нанометров) значительно меньше длины волны видимого света (от 400 до 760 нанометров), поэтому они неразрывно связаны с водой. В то же время, размеры областей фаз составляют от трех до четырех микрометров, что позволяет свету регистрировать их и интенсивно рассеиваться, многократно проникая через их границы.
Вода, кремнезём и лутидин не имеют цвета, поэтому что же обуславливает окраску геля? Причина заключается в показателях преломления и дисперсии — их преломление света зависит от длины волны: вещества сильнее преломляют синий свет по сравнению с красным. Показатель преломления в растворах определяется их составом, а в расслоенных жидкостях состав каждого слоя существенно зависит от температуры, аналогично тому, как меняется растворимость солей в воде.
Лутидин и кремнезем характеризуются высоким показателем преломления, тогда как у воды он низкий.
При повышении температуры в органической фазе увеличивается концентрация лутидина и уменьшается содержание воды, что приводит к росту показателя ее преломления. В водно-кремнеземной фазе, напротив, при нагревании концентрация лутидина снижается, и вместе с ней уменьшается показатель преломления. На определенной температуре эти значения выравниваются, и рассеяние света прекращается, поскольку отклонение света на границе фаз возникает только при разнице в коэффициентах преломления.
Обнуление происходит только при определенной длине волны, что обусловлено различиями в зависимости показателя преломления от длины волны для обеих фаз. На одном конце спектра лутидиновая фаза преломляет свет с меньшей интенсивностью, чем водно-кремнеземная, на другом — с большей, а в центральной точке наблюдается равенство. Температурные изменения смещают точку пересечения на различные длины волн.
Зависимость пропускаемых длин волн оказалась сильно выраженной от температуры. При температуре 27,1°C материал пропускал синий свет, а при 27,7°C — уже зеленый. Ширина полосы пропускания в исследуемых образцах также значительно отличалась от идеальной и составляла несколько десятков нанометров. Однако, между научным открытием и его практическим применением существует разрыв: даже в таких элементарных ситуациях второе отстает от первого. Разработка оптимального материала и конструкции светофильтра, изменяющего цвет при нагревании, требует дальнейших исследований.