• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
29.06.2022
Иван Лавренов
1 319

Ученые создали простой материал для светофильтра с регулируемой длиной волны пропускания

6.2

Исследуя гель, который образуется из расслаивающихся растворов с добавлением наночастиц диоксида кремния и затвердевает при повышении температуры, ученые обнаружили необычное и ранее неизвестное оптическое явление.

Сдвиг полосы пропускания видимого света материалом SeedGel при изменении температуры. При 29 градусах гель пропускает только красный свет, а при 27 - синий. Остальные длины волн при этом сильно рассеиваются, что заметно в виде размытого свечения на месте надписей и вокруг них. При 20оС гель обратимо распадается в прозрачную жидкость.
Зависимость полосы пропускания видимого света материалом SeedGel от температуры. При 29 градусах гель пропускает только красный свет, а при 27 - синий. Остальные длины волн при этом сильно рассеиваются, что заметно в виде размытого свечения на месте надписей и вокруг них. При 20 градусах материал превращается в прозрачную жидкость. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0 / Автор: Михаил Григорьев

Одна из задач, часто встречающихся в самых разных областях технологии — и в быту, и в науке, — пропустить сквозь какое-либо устройство электромагнитное излучение некоторых длин волн и частот, но не пропустить все остальное. Проще говоря, сделать фильтр электромагнитного излучения, к которым относятся и светофильтры для фотоаппарата, и контуры настройки в радиоприемнике. Важнейшей характеристикой фильтра является его полоса – диапазон длин волн, который он пропускает или поглощает.

Светопропускание материала Seedgel при разных температурах.
Светопропускание материала Seedgel при разных температурах. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0

Фильтры для радиоволн обычно пропускают именно тот диапазон длин волн, который и нужен. Вдобавок их нетрудно делать настраиваемыми: радиоволновые фильтры состоят из электронных компонентов, параметры которых можно регулировать.

В более коротковолновых диапазонах электромагнитного излучения, таких как видимый свет, изготовить настраиваемый фильтр гораздо сложнее. Электронные компоненты на таких частотах не работают. В простых светофильтрах используют красители, но они обладают фиксированными полосами поглощения. Ширина и положение этих полос определяются структурой их молекул, а в молекулах, как правило, нельзя так просто взять и что-нибудь настроить.

Поскольку набор полос поглощения красителей ограничен и фиксирован, регулируемые оптические фильтры делают на основе явления интерференции и других физических явлений, и это довольно сложные приборы.

Команда ученых из Национального института стандартов и технологий (США) во главе с Юинем Си (Yuyin Xi) создала материал для перестраиваемого оптического фильтра, положение полосы пропускания которого можно регулировать простым нагревом и охлаждением. О своей разработке они доложили в журнале Nature.

Это открытие стало в некоторой мере случайным. Авторы работы исследовали свойства материала SeedGel, который подобен силикагелю и может применяться в аккумуляторах, фильтрах для воды, создании искусственных биологических тканей и многих других технологиях.

Рецепт этого чудо-материала достаточно прост. В нем есть три компонента: органический растворитель 2,6-лутидин (диметилпиридин), вода и сферические наночастицы диоксида кремния (кремнезёма) диаметром 27 нанометров.

Первая часть необычных свойств материала SeedGel заключается в том, что он твердеет при повышении температуры. При температуре ниже плюс 26 градусов Цельсия лутидин смешивается с водой, а при нагреве растворимость падает, и жидкость разделяется на два слоя, или две фазы — раствор лутидина в воде и раствор воды в лутидине. Химикам известно много систем, ведущих себя подобным образом, но здесь компоненты подобраны так, чтобы наночастицы стремились оказаться в одной из двух фаз — в водной.

До расслоения частицы равномерно распределены в жидкости, образуя прозрачный коллоидный раствор. Расслоение заставляет их «столпиться» в объеме водной фазы — вдвое меньшем, чем прежде. Частицы приходят в контакт друг с другом и сцепляются, фиксируя участки водной фазы в момент их образования и не давая им слиться друг с другом. В результате образуется твердая структура, в которой водная и органическая фазы чередуются на микроскопическом масштабе.

Структура материала SeedGel. Синим цветом показана водная фаза, желтым - органическая, а серым - кремнеземные наносферы. Размеры изображенных областей уменьшаются слева направо и составляет около 25 микрометров слева, 0,3 мкм посередине и 0,08 нм в справа (молекулы показаны не в масштабе, они меньше наносфер в десятки раз)
Структура материала SeedGel. Синим цветом показана водная фаза, желтым – органическая, а серым – кремнеземные наносферы. Размеры изображенных областей уменьшаются слева направо и составляют около 25 микрометров слева, 0,3 мкм посередине и 0,08 мкм справа. Молекулы показаны не в масштабе, они меньше наносфер в десятки раз. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0

Отметим особо, что размер частиц кремнезёма (27 нанометров) намного меньше длины волны видимого света (400 — 760 нанометров), и для него они с водой составляют единое целое. А размер участков фаз достигает трех-четырех микрометров, поэтому свет их «замечает» и сильно рассеивается, многократно проходя через их границы.

Вода, кремнезём и лутидин бесцветны, так что же придает гелю окраску? Оказывается, все дело в показателях преломления и дисперсии — их зависимости от длины волны, благодаря которой вещества преломляют синий свет сильнее, чем красный. В растворах показатель преломления зависит от состава, а в расслоенных жидкостях состав каждого слоя сильно зависит от температуры, подобно тому, как меняется растворимость солей в воде.

У лутидина и кремнезема показатель преломления высокий, а у воды — низкий.

При нагреве в органической фазе становится больше лутидина и меньше воды, показатель ее преломления растет. В водно-кремнеземной фазе, наоборот, концентрация лутидина с нагревом падает, а вместе с ней — показатель преломления. При определенной температуре они становятся равными друг другу, и рассеяние исчезает, ведь отклонение света на границе фаз происходит только при отличии коэффициентов преломления.

Зависимость показателя преломления (Refractive Index) от длины волны (Wavelength) в водной фазе (синие кривые) и органической фазе (желтые кривые). При повышении температуры желтые кривые сдвигаются вверх, а синие вниз, а точка пересечения смещается слева направо, то есть в сторону красного света.
Зависимость показателя преломления (Refractive Index) от длины волны (Wavelength) в водной фазе (синие кривые) и органической фазе (желтые кривые). Низкой температуре соответствуют сплошные, а высокой – пунктирные линии. При повышении температуры желтые кривые сдвигаются вверх, а синие вниз (указано черными стрелками). Точка пересечения при этом смещается слева направо, то есть в сторону красного света. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0

И это обнуление происходит только на определенной длине волны, поскольку зависимости показателя преломления от длины волны у двух фаз тоже различаются. На одном краю спектра лутидиновая фаза преломляет свет чуть слабее, чем водно-кремнеземная, на другом — чуть сильнее, а посередине достигается равенство. При разных температурах точка пересечения оказывается на разных длинах волн.

Зависимость пропускаемых длин волны от температуры получилась очень сильной. При плюс 27,1 градуса материал пропускал синий свет, а при 27,7 градуса — уже зеленый. Ширина полосы пропускания в опытных образцах тоже была далека от идеала и составляла десятки нанометров. Но одно дело открытие, а другое дело — практическое применение: даже в таких простых случаях второе следует за первым далеко не сразу. Поиск оптимального материала и конструкции светофильтра, который меняет цвет от нагрева, еще впереди.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 16:57
ПНИПУ

Шаровая молния — выдумка или реальное явление, что такое темная материя и как она влияет на массу Вселенной? Для чего предназначены узоры на кончиках пальцев? Как мы «заражаемся» зевотой и почему мы чихаем, глядя на солнце? Отчего правшей больше, чем левшей и что нужно, чтобы сработал эффект плацебо? Об этом рассказали ученые Пермского Политеха.

18 июня
Сколтех

Ученые из Сколтеха, Цзилиньского университета и Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине (HPSTAR), а также их немецкие коллеги синтезировали и исследовали новый тип сверхпроводника с высоким содержанием водорода — супергидрид лантана типа A15 с формулой La4H23. Новый материал обладает сверхпроводимостью при температуре ниже −168 градусов и давлении в 1,2 миллиона атмосфер.

Позавчера, 08:27
Александр Березин

Популярная гипотеза о доставке большого объема легких элементов на древнюю Землю с кометами и астероидами получила существенный удар: «импорт» был весьма невелик. Значит, вода и многое другое, необходимое для возникновения жизни, никогда не исчезали с лица нашей планеты.

18 июня
Сколтех

Ученые из Сколтеха, Цзилиньского университета и Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Пекине (HPSTAR), а также их немецкие коллеги синтезировали и исследовали новый тип сверхпроводника с высоким содержанием водорода — супергидрид лантана типа A15 с формулой La4H23. Новый материал обладает сверхпроводимостью при температуре ниже −168 градусов и давлении в 1,2 миллиона атмосфер.

Позавчера, 16:57
ПНИПУ

Шаровая молния — выдумка или реальное явление, что такое темная материя и как она влияет на массу Вселенной? Для чего предназначены узоры на кончиках пальцев? Как мы «заражаемся» зевотой и почему мы чихаем, глядя на солнце? Отчего правшей больше, чем левшей и что нужно, чтобы сработал эффект плацебо? Об этом рассказали ученые Пермского Политеха.

17 июня
Игорь Байдов

Американские военные планируют разработать психостимулятор, действие которого можно активировать в мозге с помощью ближнего ИК-излучения. Такая технология поможет пилотам ВВС США сохранять бдительность во время длительных боевых вылетов. Привыкания или побочных эффектов препарат вызывать не будет.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно