Zelfassemblerende microlaser past zich aan zijn omgeving aan

Natuurkundigen in het VK hebben een zelfassemblerend fotonisch systeem ontworpen, dat de laserstralen die het produceert actief kan aanpassen als reactie op veranderende verlichting. Het team, onder leiding van Riccardo Sapienza aan het Imperial College London en Giorgio Volpe aan het University College London, baseerden hun ontwerp op een systeem van zwevende microdeeltjes, die dichte clusters vormden wanneer het mengsel werd verlicht.

Veel systemen in de natuur kunnen de energie in hun omgeving benutten om gecoördineerde structuren en patronen te vormen binnen groepen van individuele elementen. Deze variëren van scholen vissen, die dynamisch van vorm veranderen om roofdieren te ontwijken, tot het vouwen van eiwitten als reactie op lichaamsfuncties, zoals spiercontractie.

Een uitgebreid onderzoeksgebied is nu gewijd aan het nabootsen van deze zelforganisatie in kunstmatige materialen, die zichzelf kunnen aanpassen en herconfigureren in reactie op hun veranderende omgeving. In dit laatste onderzoek, gerapporteerd in Natuurfysica, Het team van Sapienza en Volpe wilde het effect reproduceren in een laserapparaat, dat het licht dat het produceert verandert naarmate de omgeving verandert.

Om dit te bereiken, maakten de onderzoekers gebruik van een unieke klasse materialen genaamd colloïden, waarin deeltjes door een vloeistof worden verspreid. Omdat deze deeltjes gemakkelijk kunnen worden gesynthetiseerd met afmetingen die vergelijkbaar zijn met de golflengten van zichtbaar licht, worden colloïden al veel gebruikt als de bouwstenen van geavanceerde fotonische apparaten, waaronder lasers.

Wanneer hun deeltjes worden gesuspendeerd in oplossingen van laserkleurstoffen, kunnen deze mengsels het licht dat erin gevangen zit verstrooien en versterken, waardoor laserstralen worden geproduceerd door optisch pompen met een andere hoogenergetische laser. Tot nu toe hebben deze ontwerpen echter grotendeels betrekking op statische colloïden, waarvan de deeltjes zichzelf niet opnieuw kunnen configureren als hun omgeving verandert.

In hun experiment introduceerden Sapienza, Volpe en collega's een meer geavanceerd colloïdmengsel, waarin titaniumdioxide (TiO₂) deeltjes werden gelijkmatig gesuspendeerd in een ethanoloplossing van laserkleurstof die ook Janus-deeltjes bevat (die twee verschillende kanten hebben met verschillende fysieke eigenschappen). De ene helft van de bolvormige oppervlakken van de Janus-deeltjes bleef kaal, terwijl de andere was bedekt met een dunne laag koolstof, waardoor de thermische eigenschappen veranderden.

Dit betekende dat wanneer de Janus-deeltjes werden belicht met een 632.8 nm HeNe-laser, ze een temperatuurgradiënt op moleculaire schaal genereerden in de vloeistof eromheen. Dit zorgde ervoor dat de TiO₂ deeltjes in het colloïde om zich rond het hete Janus-deeltje te clusteren en een optische holte te vormen. Zodra de verlichting stopt, koelt het Janus-deeltje af en verspreiden de deeltjes zich terug naar hun oorspronkelijke, uniforme rangschikking.

Dankzij dit unieke gedrag kon het team van Sapienza en Volpe de afmetingen en dichtheden van hun TiO nauwkeurig controleren₂clusters. Door optisch pompen toonden ze aan dat clusters met een voldoende dichtheid een intense laser konden produceren, die een smal bereik van zichtbare golflengten overspant. Het proces was ook volledig omkeerbaar, waarbij de laser dimde en verbreden zodra de verlichting was verwijderd.

Door een lasersysteem te demonstreren dat actief kan reageren op veranderingen in verlichting, hopen de onderzoekers dat hun resultaten een nieuwe generatie zelfassemblerende fotonische materialen kunnen inspireren: geschikt voor toepassingen die zo breed zijn als detectie, op licht gebaseerd computergebruik en slimme displays.