Onderzoekers ontwikkelen een nieuw eenstapsproces voor het maken van zelf-geassembleerde metamaterialen

Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Minnesota Twin Cities heeft een baanbrekend eenstapsproces ontdekt voor het maken van materialen met unieke eigenschappen, metamaterialen genaamd. Hun resultaten tonen de realistische mogelijkheid om soortgelijke zelf-geassembleerde structuren te ontwerpen met het potentieel om “built-to-order” nanostructuren te creëren voor brede toepassing in elektronica en optische apparaten.

Het onderzoek is gepubliceerd en op de cover van Nano Letters, een collegiaal getoetst wetenschappelijk tijdschrift dat is gepubliceerd door de American Chemical Society.

Over het algemeen zijn metamaterialen materialen die in het laboratorium zijn gemaakt om specifieke fysische, chemische, elektrische en optische eigenschappen te bieden die anders onmogelijk te vinden zijn in natuurlijk voorkomende materialen. Deze materialen kunnen unieke eigenschappen hebben, waardoor ze ideaal zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, van optische filters en medische apparatuur tot geluidsisolatie van vliegtuigen en infrastructuurbewaking. Gewoonlijk worden deze materialen op nanoschaal nauwgezet geproduceerd in een gespecialiseerde cleanroomomgeving gedurende dagen en weken in een meerstaps fabricageproces.

In dit nieuwe onderzoek bestudeerde een team van de Universiteit van Minnesota een dunne-filmmateriaal genaamd strontiumstannaat of SrSnO3. Tijdens hun onderzoek merkten ze de verrassende vorming van schaakbordpatronen op nanoschaal op, vergelijkbaar met de metamateriaalstructuren die in het kostbare, uit meerdere stappen bestaande proces werden vervaardigd.

“In eerste instantie dachten we dat dit een vergissing moest zijn, maar we realiseerden ons al snel dat het periodieke patroon een mengsel is van twee fasen van hetzelfde materiaal met verschillende kristalstructuren”, zegt Bharat Jalan, de senior auteur van de studie en een expert in materiaalsynthese die is de Shell-leerstoel aan de afdeling Chemical Engineering and Materials Science van de University of Minnesota. “Na overleg met collega’s van de University of Minnesota, University of Georgia en City University of New York, realiseerden we ons dat we misschien iets heel speciaals hebben ontdekt dat mogelijk enkele unieke toepassingen heeft.”

Het materiaal was spontaan georganiseerd in een geordende structuur terwijl het van de ene fase naar de andere veranderde. Tijdens een zogenaamd “eerste-orde structurele faseovergang” -proces ging het materiaal in een gemengde fase waarin sommige delen van het systeem de overgang voltooiden en andere niet.

“Deze periodieke patronen op nanoschaal zijn het directe gevolg van de structurele faseovergang van de eerste orde in dit materiaal”, zei professor Richard James, professor luchtvaart- en ruimtevaarttechniek en mechanica van de Universiteit van Minnesota, een co-auteur van de studie en een vooraanstaand hoogleraar aan de McKnight University. “Voor het eerst biedt ons werk tal van mogelijkheden voor het gebruik van omkeerbare structurele fasetransformaties met nano-elektronische en fotonische systemen.”

In feite demonstreerde het team een ​​proces voor de allereerste, zelf-geassembleerde, afstembare nanostructuur om metamaterialen in slechts één stap te maken. De onderzoekers waren in staat om het vermogen om elektrische ladingseigenschappen op te slaan in een enkele film af te stemmen met behulp van temperatuur en lasergolflengte. Ze creëerden effectief een variabel fotonisch kristalmateriaal met een efficiëntie van 99 procent.

Met behulp van hoge resolutie elektronenmicroscopen bevestigden de onderzoekers de unieke structuur van het materiaal.

“We merkten op dat de grenzen tussen deze kristallografische fasen scherp gedefinieerd waren op atomaire schaal, wat opmerkelijk is voor een zelf-samengesteld proces”, zegt professor Andre Mkhoyan, een co-auteur van de studie, een expert in geavanceerde elektronenmicroscopie, en de Ray D. en Mary T. Johnson / Mayon Plastics leerstoel bij de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Minnesota.

De onderzoekers kijken nu naar toekomstige toepassingen voor hun ontdekking in optische en elektronische apparaten.

“Toen we met dit onderzoek begonnen, hebben we nooit over deze toepassingen nagedacht. We werden gedreven door de fundamentele studie van de fysica van het materiaal”, zei Jalan. “Nu lijken we ineens een volledig nieuw onderzoeksgebied te hebben geopend, dat wordt aangedreven door de mogelijkheid van veel nieuwe en opwindende toepassingen.”