Новый материал позволит создавать светофильтры с настраиваемой длиной волны.

Новости МирТесен

В ходе изучения гелеобразной структуры, формирующейся при расслоении растворов с использованием наночастиц диоксида кремния и последующем затвердевании под воздействием тепла, исследователи выявили ранее не наблюдавшиеся оптические эффекты.

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.

В диапазонах электромагнитного излучения с более короткой длиной волны, например, в видимом свете, создание настраиваемого фильтра представляет собой значительно более сложную задачу. Электронные компоненты попросту не функционируют на таких высоких частотах. В обычных светофильтрах применяются красители, однако они характеризуются неизменными диапазонами поглощения. Характеристики этих полос – их положение и ширина – обусловлены структурой молекул, а изменение этой структуры затруднено.

Ввиду ограниченности и фиксированности набора полос поглощения у красителей, регулируемые оптические фильтры разрабатываются с использованием 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.

Данное открытие оказалось частично неожиданным. Ученые проводили исследования характеристик материала SeedGel, который по своим свойствам напоминает силикагель и находит применение в аккумуляторах, системах очистки воды, при создании искусственных биологических тканей и во множестве других технологических процессов.

Технология изготовления этого уникального материала отличается простотой и включает всего три компонента: 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.

Поскольку вода, кремнезём и лутидин не имеют цвета, то что же обуславливает окраску геля? Оказывается, причина кроется 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.

Повышение температуры приводит к увеличению концентрации лутидина и уменьшению содержания воды в органической фазе, что вызывает рост показателя преломления. В водно-кремнеземной фазе наблюдается обратная тенденция: нагрев снижает концентрацию лутидина и, соответственно, показатель преломления. Достигается момент, когда эти значения выравниваются, и рассеяние света прекращается, поскольку отклонение светового потока на границе между фазами обусловлено разницей в коэффициентах преломления.

Данное обнуление происходит лишь при определенной длине волны, поскольку зависимость показателя преломления от длины волны для обеих фаз различна. В одной части спектра лутидиновая фаза оказывает меньшее влияние на отклонение света по сравнению с водно-кремнеземной, в другой – большее, а в центральной точке достигается равенство. Изменение температуры смещает точку пересечения вдоль спектра.

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.