Techniek op nanoschaal brengt lichtdraaiende materialen naar extremere omgevingen

Het in beeld brengen van de hete turbulentie van voortstuwingssystemen van vliegtuigen kan nu mogelijk zijn met stevige platen van composietmaterialen die lichtstralen verdraaien, blijkt uit onderzoek onder leiding van de Universiteit van Michigan en het Air Force Research Laboratory.

De platen zijn geproduceerd met een nieuwe productiemethode die mogelijkheden opent die verder gaan dan het ontwerpen van vliegtuigen, omdat hierdoor nieuwe materiaalklassen kunnen worden gebruikt in polarisatie-optica. Hoewel het team een ​​hoge temperatuurtolerantie heeft aangetoond, wordt verwacht dat er ook nieuwe mechanische, elektrische en fysieke eigenschappen zullen ontstaan ​​– met potentiële toepassingen in energie, sensoren voor voertuigen en robots, en ruimteverkenning.

“Het combineren van meerdere functionaliteiten in 2D-materialen opent een wereld aan mogelijkheden”, zegt Dhriti Nepal, senior research materials engineer bij het Air Force Research Laboratory en co-corresponderend auteur van het onderzoek. gepubliceerd onlangs binnen Natuur.

“Denk aan de vleugels van een vlinder, waarmee hij kan vliegen, de temperatuur kan regelen en licht kan reflecteren om specifieke kleuren te produceren om partners aan te trekken en roofdieren te vermijden. Deze techniek biedt nieuwe ontwerpmogelijkheden voor het creëren van multifunctionele apparaten die alles kunnen wat je maar kunt bedenken.”

De sleutel is het rangschikken van nanomaterialen die niet uit zichzelf licht verdraaien op lagen die lichtgolven in links- of rechtsdraaiende spiralen veranderen, ook wel circulaire polarisaties genoemd. In het vliegtuigvoorbeeld draait de door de motor gecreëerde turbulentie het licht, dat vervolgens door het materiaal wordt gefilterd voor beeldvorming. Tegenwoordig regelen apparaten zoals LCD-schermen en thermochrome verven de draaiing en oriëntatie van lichtgolven al met behulp van vloeibare kristallenmaar ze smelten niet ver boven de omgevingstemperatuur.

“Er kunnen situaties zijn waarin je licht buiten de normale bedrijfstemperaturen van vloeibare kristallen wilt verdraaien. Nu kunnen we lichtpolariserende apparaten maken voor dat soort omgevingen”, zegt Nicholas Kotov, Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences. en Engineering aan de UM en hoofdauteur van het onderzoek.

Het nieuwe materiaal kan licht verdraaien bij 250 graden Celsius, en door het in beeld brengen van turbulentie in vliegtuigmotoren en andere toepassingen zou het lucht- en ruimtevaartingenieurs in staat kunnen stellen ontwerpen te verbeteren voor betere vliegprestaties van vliegtuigen.

“Toekomstige lucht- en ruimtevaartsystemen blijven de grens van technische haalbaarheid verleggen. Deze goedkope optische materialen bieden modulariteit, wat cruciaal is voor het optimaliseren van oplossingen voor een breed scala aan toekomstige technologieën”, zegt Richard Vaia, hoofdwetenschapper materialen en productie bij de luchtmacht. Research Laboratory en een corresponderende auteur van het onderzoek.

Om de materialen te maken, plaatsten de onderzoekers microscopisch kleine groeven in een plastic folie en bedekten deze met verschillende lagen kleine, platte deeltjes met een diameter die 10.000 keer kleiner was dan een millimeter. Deze deeltjes werden op hun plaats gehouden met afwisselende lagen van een moleculaire lijm, en ze konden gemaakt worden van elk materiaal dat tot platte nanodeeltjes gemaakt kon worden. Voor hun hittetolerante materialen gebruikten de onderzoekers keramiekachtige materialen genaamd MXenes.

Terwijl licht door het materiaal beweegt, splitst het zich in twee bundels, één met horizontaal oscillerende golven en de andere met verticaal oscillerende golven. De verticale golven passeren sneller dan de horizontale golven. Het resultaat is dat de golven uit fase raken en verschijnen als een spiraal van licht. De hoek van de groeven bepaalt de richting waarin het licht spiraalt, en lagen zilveren nanodraden kunnen ervoor zorgen dat het licht uitsluitend naar links of rechts spiraalt.

“Onze berekeningen suggereren dat de optische eigenschappen niet afkomstig zijn van de nanoplaten zelf, maar van hun oriëntatie op de groeven, veroorzaakt door ons fabricageproces”, zegt André Farias de Moura, universitair hoofddocent scheikunde aan de Federale Universiteit van São Carlos en een co-corresponderende auteur van het onderzoek.

Felippe Colombari van het Braziliaanse Biorenewables National Laboratory heeft ook bijgedragen aan het onderzoek. Nicholas Kotov is ook de Joseph B. en Florence V. Cejka hoogleraar techniek en hoogleraar macromoleculaire wetenschappen en techniek.