A engenharia em nanoescala leva materiais que torcem a luz para ambientes mais extremos
Este filme composto pode torcer a luz em uma espiral, graças a ranhuras microscópicas que fazem com que ondas de luz oscilantes horizontal e verticalmente passem pelo filme fora de fase. Ao contrário dos materiais existentes que podem fazer isso, o filme mantém suas propriedades de torção à luz quando aquecido até 250 graus Celsius. Crédito:Brenda Ahearn, Engenharia de Michigan. A obtenção de imagens da turbulência quente dos sistemas de propulsão de aeronaves pode agora ser possível com folhas resistentes de materiais compósitos que torcem os feixes de luz, de acordo com uma pesquisa liderada pela Universidade de Michigan e pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.
As chapas foram produzidas com um novo método de fabricação que abre possibilidades além do design de aeronaves, pois permite o uso de novas classes de materiais em óptica de polarização. Embora a equipe tenha demonstrado tolerância a altas temperaturas, espera-se que também surjam novas propriedades mecânicas, elétricas e físicas – com aplicações potenciais em energia, sensores para veículos e robôs e exploração espacial.
"A combinação de múltiplas funcionalidades em materiais 2D abre um mundo de possibilidades", disse Dhriti Nepal, engenheira sênior de materiais de pesquisa do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e co-autora correspondente do estudo publicado recentemente na Nature. .
"Pense nas asas de uma borboleta, que lhe permitem voar, regular a temperatura e refletir a luz para produzir cores específicas para atrair parceiros e evitar predadores. Esta técnica oferece novas oportunidades de design para a criação de dispositivos multifuncionais capazes de tudo o que se possa imaginar."
A chave é organizar nanomateriais que não distorcem a luz por conta própria em camadas que transformam as ondas de luz em espirais esquerdas ou direitas, conhecidas como polarizações circulares. No exemplo da aeronave, a turbulência criada pelo motor gira a luz, que é então filtrada através do material para geração de imagens. Hoje, dispositivos como telas LCD e tintas termocrômicas já controlam a torção e a orientação das ondas de luz usando cristais líquidos, mas eles derretem não muito acima da temperatura ambiente.
Para medir quão bem o filme distorce a luz em altas temperaturas, os pesquisadores da U-M usam uma pequena chama como fonte de luz e calor. Crédito:Brenda Ahearn, Engenharia de Michigan.
"Pode haver situações em que você deseja distorcer a luz fora das temperaturas normais de operação dos cristais líquidos. Agora, podemos fabricar dispositivos polarizadores de luz para esses tipos de configurações, "disse Nicholas Kotov, Distinguido Professor de Ciências Químicas da Universidade Irving Langmuir. e Engenharia na U-M e principal autor do estudo.
O novo material pode distorcer a luz a 250 graus Celsius e, através da imagem da turbulência em motores de aeronaves e outras aplicações, poderá permitir que os engenheiros aeroespaciais melhorem os projetos para um melhor desempenho de voo das aeronaves.
"Os futuros sistemas aeroespaciais continuam a impulsionar a viabilidade técnica. Esses materiais ópticos de baixo custo proporcionam modularidade, o que é crucial para otimizar soluções para uma ampla gama de tecnologias futuras", disse Richard Vaia, cientista-chefe de materiais e fabricação da Força Aérea. Laboratório de Pesquisa e autor correspondente do estudo.
Para fabricar os materiais, os pesquisadores colocaram ranhuras microscópicas em uma folha de plástico e a cobriram com várias camadas de minúsculas partículas planas com diâmetro 10 mil vezes menor que um milímetro. Essas partículas foram mantidas no lugar com camadas alternadas de um adesivo molecular e poderiam ser feitas de qualquer material que pudesse ser transformado em nanopartículas planas. Para seus materiais tolerantes ao calor, os pesquisadores usaram materiais semelhantes à cerâmica chamados MXenes.
Jun Lu, pesquisador adjunto que trabalha no laboratório de Kotov e primeiro autor do estudo, demonstra como usa o fogo para testar a capacidade de um filme de distorcer a luz em altas temperaturas. Crédito:Brenda Ahearn, Engenharia de Michigan.
À medida que a luz se move através do material, ela se divide em dois feixes, um com ondas oscilantes horizontais e outro com ondas oscilantes verticais. As ondas verticais passam mais rápido que as ondas horizontais. Como resultado, as ondas saem de fase e aparecem como uma espiral de luz. O ângulo das ranhuras determina a direção em que a luz espirala, e camadas de nanofios de prata podem ajudar a garantir que a luz espire exclusivamente para a esquerda ou para a direita.
“Nossos cálculos sugerem que as propriedades ópticas não vieram das nanoplacas em si, mas de sua orientação nas ranhuras causadas pelo nosso processo de fabricação”, disse André Farias de Moura, professor associado de química da Universidade Federal de São Carlos e pesquisador. co-autor correspondente do estudo.
Felippe Colombari, do Laboratório Nacional de Biorrenováveis, também contribuiu com o estudo. Nicholas Kotov também é professor de engenharia Joseph B. e Florence V. Cejka e professor de ciência e engenharia macromolecular.
