Ученые из Корнельского университета совершили прорыв в области нанотехнологий, разработав инновационный метод создания хиральных материалов из неорганических полупроводниковых наночастиц. Эти материалы, способные изгибать свет, имеют огромный потенциал для революционизации технологий, зависящих от контроля поляризации света. Ключевым моментом стало использование «волшебных кластеров» — идентичных наночастиц дискретных размеров, созданных на основе полупроводниковых соединений кадмия.
Хиральность, или способность материала скручивать свет, достигается за счет его способности по-разному поглощать лево- и правополяризованный свет. Традиционно это свойство достигалось с помощью органических молекул на основе углерода, которые возбуждаются светом, образуя экситоны, взаимодействующие и обменивающиеся энергией, что и приводит к хиральности. В отличие от них, неорганические полупроводники, отличающиеся стабильностью и возможностью настройки оптических свойств, гораздо сложнее использовать для получения хиральности. Но именно это и удалось команде под руководством профессора материаловедения и инженерии Ричарда Д. Робинсона и аспиранта по прикладной и инженерной физике Томаса Уграса.
В предыдущих исследованиях было установлено, что «волшебные кластеры» проявляют циркулярный дихроизм — характерный признак хиральности — при формировании пленок. Новым достижением стала разработка метода с использованием мениско-управляемого испарения, который позволяет преобразовывать линейные сборки нанокластеров в спиральные формы, что и наделяет их хиральными свойствами. Результатом становятся пленки с однородной хиральностью на площади в несколько квадратных миллиметров.
Созданные материалы демонстрируют огромный отклик на взаимодействие со светом, превосходящий предыдущие рекорды для неорганических полупроводниковых материалов почти на два порядка — то есть, примерно в 100 раз. Более того, этот метод применим к различным составам нанокластеров, что позволяет управлять взаимодействием со светом в широком диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного излучения.
Метод не только придает линейным структурам хиральность, но и делает пленки чувствительными как к циркулярно, так и к линейно поляризованному свету, что значительно расширяет их функциональность в качестве метаматериальных оптических сенсоров. Подобные сенсоры могут произвести революцию в области технологий, основанных на контроле поляризации света.
Потенциальные области применения этих инновационных материалов охватывают широкий спектр технологий. Среди них: голографические 3D-дисплеи, которые позволят создавать изображения, кажущиеся трехмерными, квантовые вычисления, работающие при комнатной температуре, сверхмаломощные устройства, значительно снижающие энергопотребление, и медицинская диагностика, в которой необходимы высокочувствительные и точные датчики.
Ученые полагают, что их метод может пролить свет на формирование природных хиральных структур, таких как ДНК. Исследование показало, как линейные структуры могут самоорганизовываться в хиральные формы под влиянием естественных процессов. Понимание этих механизмов может способствовать развитию новых технологий и в других областях.
Дальнейшие исследования направлены на изучение факторов, влияющих на хироптическое поведение наночастиц, таких как размер кластеров, их состав, ориентация и близость. Также планируется распространить метод на другие материалы, такие как нанопластинки и квантовые точки. Особое внимание уделяется разработке промышленных процессов для крупномасштабного производства покрытий для устройств.
Опубликованная в журнале Science работа демонстрирует существенный шаг к созданию новых, более эффективных и универсальных оптических материалов. Возможность манипулировать светом с такой точностью может открыть двери к множеству технологических прорывов, кардинально изменяющих наш мир.
Изображение носит иллюстративный характер
Хиральность, или способность материала скручивать свет, достигается за счет его способности по-разному поглощать лево- и правополяризованный свет. Традиционно это свойство достигалось с помощью органических молекул на основе углерода, которые возбуждаются светом, образуя экситоны, взаимодействующие и обменивающиеся энергией, что и приводит к хиральности. В отличие от них, неорганические полупроводники, отличающиеся стабильностью и возможностью настройки оптических свойств, гораздо сложнее использовать для получения хиральности. Но именно это и удалось команде под руководством профессора материаловедения и инженерии Ричарда Д. Робинсона и аспиранта по прикладной и инженерной физике Томаса Уграса.
В предыдущих исследованиях было установлено, что «волшебные кластеры» проявляют циркулярный дихроизм — характерный признак хиральности — при формировании пленок. Новым достижением стала разработка метода с использованием мениско-управляемого испарения, который позволяет преобразовывать линейные сборки нанокластеров в спиральные формы, что и наделяет их хиральными свойствами. Результатом становятся пленки с однородной хиральностью на площади в несколько квадратных миллиметров.
Созданные материалы демонстрируют огромный отклик на взаимодействие со светом, превосходящий предыдущие рекорды для неорганических полупроводниковых материалов почти на два порядка — то есть, примерно в 100 раз. Более того, этот метод применим к различным составам нанокластеров, что позволяет управлять взаимодействием со светом в широком диапазоне от ультрафиолета до инфракрасного излучения.
Метод не только придает линейным структурам хиральность, но и делает пленки чувствительными как к циркулярно, так и к линейно поляризованному свету, что значительно расширяет их функциональность в качестве метаматериальных оптических сенсоров. Подобные сенсоры могут произвести революцию в области технологий, основанных на контроле поляризации света.
Потенциальные области применения этих инновационных материалов охватывают широкий спектр технологий. Среди них: голографические 3D-дисплеи, которые позволят создавать изображения, кажущиеся трехмерными, квантовые вычисления, работающие при комнатной температуре, сверхмаломощные устройства, значительно снижающие энергопотребление, и медицинская диагностика, в которой необходимы высокочувствительные и точные датчики.
Ученые полагают, что их метод может пролить свет на формирование природных хиральных структур, таких как ДНК. Исследование показало, как линейные структуры могут самоорганизовываться в хиральные формы под влиянием естественных процессов. Понимание этих механизмов может способствовать развитию новых технологий и в других областях.
Дальнейшие исследования направлены на изучение факторов, влияющих на хироптическое поведение наночастиц, таких как размер кластеров, их состав, ориентация и близость. Также планируется распространить метод на другие материалы, такие как нанопластинки и квантовые точки. Особое внимание уделяется разработке промышленных процессов для крупномасштабного производства покрытий для устройств.
Опубликованная в журнале Science работа демонстрирует существенный шаг к созданию новых, более эффективных и универсальных оптических материалов. Возможность манипулировать светом с такой точностью может открыть двери к множеству технологических прорывов, кардинально изменяющих наш мир.
