Химики Северо-Западного университета разработали новую фотонную решетку со свойствами, невиданными ранее в природе. В твердых материалах атомы должны быть расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и достаточно близко друг к другу, чтобы эффективно взаимодействовать. Теперь новые архитектуры, основанные на многоуровневых решетках наночастиц, демонстрируют взаимодействие на беспрецедентно больших расстояниях.
Когда одна решетка уложена поверх другой, наночастицы все еще могут взаимодействовать друг с другом, даже если расстояние между частицами по вертикали в 1000 раз превышает расстояние между частицами в горизонтальной плоскости.
Поскольку наночастицы могут передавать данные на сверхбольшие расстояния, многоуровневая архитектура предлагает потенциальные приложения для дистанционного зондирования и обнаружения.
Исследование было опубликовано на этой неделе (13 февраля) в журнале Nature Nanotechnology .
«Такой тип дальнодействующей связи ранее не наблюдался ни для одного периодического материала с накоплением», — сказал Тери Одом, старший автор исследования. «Другие электронные или фотонные сложенные слои разделены по вертикали интервалом, аналогичным горизонтальной периодичности строительной единицы в одном слое. Это совершенно новый класс инженерных материалов, которые не имеют аналога или аналога в природе».
Эксперт по нанотехнологиям, Одом является заведующим химическим факультетом Северо-Западного университета и профессором химии Джоан Хастлинг Мэдден и Уильяма Х. Мэддена-младшего в Колледже искусств и наук Вайнберга. Она также является членом Международного института нанотехнологий и Института химии жизненных процессов. Северо-западные соавторы включают Джорджа Шаца, Чарльза Э. и Эмму Х. Моррисон, профессора химии в Вайнберге.
При разработке нового материала Одом и ее команда черпали вдохновение в муаровых узорах — геометрическом узоре, созданном двумя узорами из одинаковых периодических решеток.
Исследователи сначала создали фотонные решетки, состоящие из двумерных массивов наночастиц с разделением, которое способствовало горизонтальной связи, что привело к созданию однослойных оптических материалов. Затем они уложили идентичные решетки наночастиц друг на друга, чтобы создать двухслойные и многослойные решетки с новыми оптическими свойствами, недоступными только для одного слоя.
«Мы продемонстрировали, что эти сложенные решетки наночастиц могут взаимодействовать на сверхбольших расстояниях, поместив молекулы органических красителей только вокруг одной из решеток наночастиц в сложенной структуре», — сказал Одом. «Затем мы оптически возбудили краситель».
Исследователи обнаружили, что, вращая одну решетку относительно другой, они могут изменить то, как узоры взаимодействуют со светом. В зависимости от угла поворота уложенный материал может работать как нанолазер с излучением под разными углами. Это понимание открывает новые подходы к разработке характеристик нанолазеров. Направление и характер излучения муарового лазера можно контролировать в режиме реального времени.
«Это можно использовать для создания новых типов биомедицинских сенсоров», — сказал Джун Гуань, первый автор статьи и научный сотрудник лаборатории Одома. «Эти устройства могут быть спроектированы так, чтобы реагировать на изменения в организме, предоставляя важную информацию о здоровье пациента. Небольшое изменение химических веществ в среде крови может вызвать изменения в том, как свет преломляется вокруг фотонных решеток. Это изменение будет увеличиваться. по муаровой картине и считывается по соответствующим углам излучения лазера».
