Grafeen ‘slimme oppervlakken’ nu instelbaar voor zichtbaar spectrum

Onderzoekers van het National Graphene Institute van de University of Manchester hebben optische apparaten gemaakt met een uniek instelbereik, dat het hele elektromagnetische spectrum bestrijkt, inclusief zichtbaar licht.

Een paper gepubliceerd in Natuur fotonica schetst toepassingen voor dit ‘slimme oppervlak’-technologiebereik van weergaveapparaten van de volgende generatie tot dynamische thermische dekens voor satellieten en multi-spectrale adaptieve camouflage.

De afstembaarheid van de apparaten wordt bereikt door een proces dat bekend staat als elektro-intercalatie, waarbij in dit geval lithiumionen worden geplaatst tussen platen van meerlagig grafeen (MLG), waardoor controle wordt geboden over elektrische, thermische en magnetische eigenschappen.

Het MLG-apparaat is gelamineerd en vacuüm verpakt in een zak van polyethyleen met lage dichtheid die meer dan 90% optische transparantie heeft van zichtbaar licht tot microgolfstraling.

De lading wordt grijs in goud

Tijdens het opladen (intercalatie) of ontladen (de-intercalatie) veranderen de elektrische en optische eigenschappen van MLG drastisch. Het ontladen apparaat lijkt donkergrijs vanwege het hoge absorptievermogen (> 80%) van de bovenste grafeenlaag in het zichtbare regime. Wanneer het apparaat volledig is opgeladen (bij ~ 3,8V), ziet de grafeenlaag er goudkleurig uit. De bereikbare kleurruimte kan worden verrijkt met een bereik van rood tot blauw met behulp van optische effecten zoals dunne filminterferentie.

Professor Coskun Kocabas, hoofdauteur van de studie, zei: “We hebben een nieuwe klasse van multispectrale optische apparaten gemaakt met voorheen onbereikbaar kleurveranderend vermogen door grafeen en batterijtechnologie samen te voegen.

“De succesvolle demonstratie van op grafeen gebaseerde slimme optische oppervlakken maakt potentiële vooruitgang mogelijk op veel wetenschappelijke en technische gebieden.”

Een dynamische thermische deken zou bijvoorbeeld selectief zichtbaar of infrarood licht kunnen reflecteren en een satelliet in staat stellen om straling te reflecteren vanaf de zijde die naar de zon is gericht, terwijl straling wordt uitgezonden vanaf de gearceerde gezichten. Evenzo kan die deken, wanneer hij in de schaduw van de aarde staat, de satelliet isoleren van afkoeling in de diepe ruimte [see figure below]​ Deze acties zouden de interne temperaturen veel effectiever reguleren dan een statische thermische coating.

Eerdere studies hebben apparaten onderzocht op specifieke golflengtebereiken van microgolf, terahertz, infrarood en zichtbaar, met behulp van enkel- en meerlaags grafeen. Maar het was de uitdaging om de dekking uit te breiden tot zichtbaar licht en tegelijkertijd de optische activiteit bij langere golflengten te behouden, waarvoor innovatie in de structuur van het apparaat nodig was, waarbij gevestigde problemen bij de integratie van optische apparaten met elektrochemische cellen werden overwonnen.

“Hier gebruikten we een op grafeen gebaseerde lithium-ionbatterij als optisch apparaat”, voegde hij eraan toe. “Door de elektronendichtheid van het grafeen te regelen, zijn we nu in staat om licht van zichtbare golflengten tot microgolflengten op hetzelfde apparaat te regelen.”

Nobelprijswinnaar professor Sir Kostya Novoselov was een co-auteur van het papier en zei: “Few-layer graphene biedt ongekende controle over de optische eigenschappen door opladen. Dergelijke apparaten kunnen hun toepassingen op veel gebieden vinden: van adaptieve optica tot thermisch beheer.”