Desde o Prêmio Nobel de Física foi concedido pela pesquisa sobre grafeno em 2010, Materiais 2-D - nanofolhas com espessura atômica - têm sido um tema quente na ciência. Este interesse significativo é devido às suas propriedades pendentes, que têm um enorme potencial para uma ampla variedade de aplicações. Por exemplo, combinado com fibras ópticas, Materiais 2-D podem permitir novas aplicações nas áreas de sensores, óptica não linear, e tecnologias quânticas.

Contudo, combinar esses dois componentes tem sido muito trabalhoso. Tipicamente, as camadas atomicamente finas tiveram que ser produzidas separadamente antes de serem transferidas manualmente para a fibra óptica. Junto com colegas australianos, Os pesquisadores de Jena conseguiram, pela primeira vez, cultivar materiais 2-D diretamente nas fibras ópticas. Esta abordagem facilita significativamente a fabricação de tais híbridos. Os resultados do estudo foram publicados recentemente na renomada revista de ciência dos materiais Materiais avançados .

Crescimento por meio de procedimento tecnologicamente relevante

"Integramos dichalcogenetos de metais de transição - um material 2-D com excelentes propriedades ópticas e fotônicas, que, por exemplo, interage fortemente com a luz - em fibras de vidro especialmente desenvolvidas, "explica o Dr. Falk Eilenberger da Universidade de Jena e do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão (IOF) na Alemanha." Ao contrário do passado, não aplicamos a folha de meio nanômetro de espessura manualmente, mas cresceu diretamente na fibra, "diz Eilenberger, especialista na área de nanofotônica. "Essa melhoria significa que o material 2-D pode ser integrado à fibra mais facilmente e em grande escala. Também pudemos mostrar que a luz na fibra de vidro interage fortemente com seu revestimento." O passo para uma aplicação prática do nanomaterial inteligente assim criado já não está muito longe.

O sucesso foi alcançado graças a um processo de crescimento desenvolvido no Instituto de Físico-Química da Universidade de Jena, que supera os obstáculos anteriores. "Ao analisar e controlar os parâmetros de crescimento, identificamos as condições em que o material 2-D pode crescer diretamente nas fibras, "diz Jena 2-D especialista em materiais, Prof. Andrey Turchanin, explicando o método baseado em técnicas de deposição química de vapor (CVD). Entre outras coisas, uma temperatura de mais de 700 graus Celsius é necessária para o crescimento do material 2-D.

Plataforma de material híbrido

Apesar desta alta temperatura, as fibras ópticas podem ser usadas para o crescimento direto do CVD:"O vidro de quartzo puro que serve como substrato resiste a altas temperaturas extremamente bem. É resistente ao calor até 2, 000 graus Celsius, "diz o Prof. Markus A. Schmidt do Instituto Leibniz de Tecnologia Fotônica, quem desenvolveu as fibras. "Seu pequeno diâmetro e flexibilidade permitem uma variedade de aplicações, "acrescenta Schmidt, que também tem um cargo de professor dotado de fibra óptica na Universidade de Jena.

A combinação de material 2-D e fibra de vidro criou, portanto, uma plataforma de material inteligente que combina o melhor dos dois mundos. "Devido à funcionalização da fibra de vidro com o material 2-D, o comprimento de interação entre a luz e o material foi aumentado significativamente, "diz o Dr. Antony George, que está desenvolvendo o método de fabricação para os novos materiais 2-D junto com Turchanin.

Sensores e conversores de luz não lineares

A equipe prevê aplicações potenciais para o sistema de materiais recém-desenvolvido em duas áreas específicas. Em primeiro lugar, the materials combination is very promising for sensor technology. It could be used, por exemplo, to detect low concentrations of gasses. Para este fim, a green light sent through the fiber picks up information from the environment at the fiber areas functionalised with the 2-D material. As external influences change the fluorescent properties of the 2-D material, the light changes color and returns to a measuring device as red light. Since the fibers are very fine, sensors based on this technology might also be suitable for applications in biotechnology or medicine.

Em segundo lugar, such a system could also be used as a non-linear light converter. Due to its non-linear properties, the hybrid optical fiber can be employed to convert a monochromatic laser light into white light for spectroscopy applications in biology and chemistry. The Jena researchers also envisage applications in the areas of quantum electronics and quantum communication.

Exceptional interdisciplinary cooperation

The scientists involved in this development emphasize that the success of the project was primarily due to the exceptional interdisciplinary cooperation between various research institutes in Jena. Based on the Thuringian research group "2-D-Sens" and the Collaborative Research Centre "Nonlinear Optics down to Atomic Scales" of Friedrich Schiller University, experts from the Institute of Applied Physics and Institute of Physical Chemistry of the University of Jena; the University's Abbe Center of Photonics; the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF; and the Leibniz Institute of Photonic Technology are collaborating on this research, together with colleagues in Australia.

"We have brought diverse expertise to this project and we are delighted with the results achieved, " says Eilenberger. "We are convinced that the technology we have developed will further strengthen the state of Thuringia as an industrial center with its focus on photonics and optoelectronics, " adds Turchanin. A patent application for the interdisciplinary team's invention has recently been filed.