صمم الفيزيائيون في المملكة المتحدة نظامًا ضوئيًا ذاتي التجميع ، يمكنه التكيف بفعالية مع أشعة الليزر التي ينتجها استجابة لتغير الإضاءة. الفريق بقيادة ريكاردو سابينزا في إمبريال كوليدج لندن و جورجيو فولبي في جامعة كوليدج لندن ، اعتمد تصميمهم على نظام من الجسيمات الدقيقة المعلقة ، والتي شكلت عناقيد كثيفة عند إضاءة الخليط.
يمكن للعديد من الأنظمة في الطبيعة تسخير الطاقة في بيئاتها المحيطة لتشكيل هياكل وأنماط منسقة داخل مجموعات من العناصر الفردية. وتتراوح هذه من مجموعات الأسماك ، التي تغير شكلها ديناميكيًا لتفادي الحيوانات المفترسة ، إلى طي البروتينات استجابةً لوظائف الجسم ، مثل تقلص العضلات.
تم تخصيص مجال بحثي واسع الآن لمحاكاة هذا التنظيم الذاتي في المواد الاصطناعية ، والتي يمكن أن تتكيف وتعيد تكوين نفسها استجابة لمحيطها المتغير. في هذا البحث الأخير ، ورد في فيزياء الطبيعة, يهدف فريق سابينزا وفولبي إلى إعادة إنتاج التأثير في جهاز الليزر ، والذي يغير الضوء الذي ينتجه مع تغير بيئته.
لتحقيق ذلك ، استغل الباحثون فئة فريدة من المواد تسمى الغرويات ، والتي تتشتت فيها الجزيئات في جميع أنحاء السائل. نظرًا لأنه يمكن تصنيع هذه الجسيمات بسهولة بأحجام مماثلة للأطوال الموجية للضوء المرئي ، فإن الغرويات تُستخدم بالفعل على نطاق واسع باعتبارها اللبنات الأساسية للأجهزة الضوئية المتقدمة - بما في ذلك الليزر.
عندما يتم تعليق جزيئاتها في محاليل من أصباغ الليزر ، يمكن لهذه المخاليط أن تشتت وتضخم الضوء المحتجز بداخلها ، مما ينتج عنه أشعة ليزر من خلال الضخ البصري باستخدام ليزر آخر عالي الطاقة. لكن حتى الآن ، تضمنت هذه التصميمات إلى حد كبير الغرويات الساكنة ، التي لا تستطيع جسيماتها إعادة تشكيل نفسها مع تغير محيطها.
في تجربتهم ، قدم Sapienza و Volpe وزملاؤهم خليطًا غروانيًا أكثر تقدمًا ، والذي فيه ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO)2) تم تعليق الجسيمات بالتساوي في محلول إيثانول لصبغة ليزر تحتوي أيضًا على جسيمات جانوس (التي لها جانبان متميزان لهما خصائص فيزيائية مختلفة). تم ترك نصف الأسطح الكروية لجزيئات جانوس عارية ، بينما تم طلاء النصف الآخر بطبقة رقيقة من الكربون ، مما أدى إلى تغيير خصائصه الحرارية.
وهذا يعني أنه عندما أُضيئت جسيمات يانوس باستخدام ليزر HeNe بحجم 632.8 نانومتر ، فقد ولّدت تدرجًا في درجة حرارة المقياس الجزيئي في السائل المحيط بها. هذا تسبب في TiO2 جزيئات في الغروانية تتجمع حول جسيم يانوس الساخن وتشكل تجويفًا ضوئيًا. بمجرد انتهاء الإضاءة ، يبرد جسيم جانوس وتتشتت الجزيئات مرة أخرى إلى ترتيباتها الأصلية الموحدة.
يوفر ليزر أشباه الموصلات الجديد طاقة عالية بتردد واحد
سمح هذا السلوك الفريد لفريق Sapienza و Volpe بالتحكم بعناية في أحجام وكثافة TiO الخاصة بهم2عناقيد المجموعات. من خلال الضخ البصري ، أظهروا أن الحشود الكثيفة بما فيه الكفاية يمكن أن تنتج ليزرًا مكثفًا ، يمتد على نطاق ضيق من الأطوال الموجية المرئية. كانت العملية أيضًا قابلة للعكس تمامًا ، مع تعتيم الليزر وتوسيعه بمجرد إزالة الإضاءة.
عند عرض نظام ليزر يمكنه الاستجابة بفعالية للتغيرات في الإضاءة ، يأمل الباحثون أن تكون نتائجهم مصدر إلهام لجيل جديد من المواد الضوئية ذاتية التجميع: وهي مناسبة لتطبيقات واسعة النطاق مثل الاستشعار والحوسبة القائمة على الضوء والشاشات الذكية.
