Forskare vid University of Manchesters National Graphene Institute har skapat optiska enheter med ett unikt utbud av avstämningsmöjligheter, täcker hela det elektromagnetiska spektrumet, inklusive synligt ljus.

En tidning publicerad i Naturfotonik beskriver tillämpningar för denna "smarta yta"-teknik, från nästa generations displayenheter till dynamiska termiska filtar för satelliter och multispektralt adaptivt kamouflage.

Enheternas avstämningsförmåga uppnås genom en process som kallas elektrointerkalering, vilket i detta fall innebär att litiumjoner placeras mellan ark av flerskiktsgrafen (MLG), erbjuder kontroll över elektriska, termiska och magnetiska egenskaper.

MLG-enheten är laminerad och vakuumförseglad i en lågdensitetspolyetenpåse som har över 90 % optisk transparens från synligt ljus till mikrovågsstrålning.

Laddning blir grå till guld

Under laddning (interkalering) eller urladdning (de-interkalering), de elektriska och optiska egenskaperna hos MLG förändras dramatiskt. Den urladdade enheten ser mörkgrå ut på grund av den höga absorptionsförmågan (> 80 %) av det översta grafenskiktet i den synliga regimen. När enheten är fulladdad (vid ~3,8V), grafenskiktet ser guldfärgat ut. Den uppnåbara färgrymden kan berikas till att omfatta ett intervall från rött till blått med hjälp av optiska effekter som tunnfilmsinterferens.

Professor Coskun Kocabas, huvudförfattare till studien, sa:"Vi har tillverkat en ny klass av multispektrala optiska enheter med tidigare ouppnåelig färgförändringsförmåga genom att slå samman grafen och batteriteknologi.

"Den framgångsrika demonstrationen av grafenbaserade smarta optiska ytor möjliggör potentiella framsteg inom många vetenskapliga och tekniska områden."

Till exempel, en dynamisk termisk filt kan selektivt reflektera synligt eller infrarött ljus och tillåta en satellit att reflektera strålning från den sida som är vänd mot solen, samtidigt som den avger strålning från dess skuggade ansikten. Liknande, när i jordens skugga, den filten kan isolera satelliten från kylning i djupa rymd [se figur nedan]. Dessa åtgärder skulle reglera inre temperaturer mycket mer effektivt än en statisk termisk beläggning.

Tidigare studier har undersökt enheter vid specifika våglängdsintervall för mikrovågor, terahertz, infraröd och synlig, med enkel- och flerskiktsgrafen. Men det var utmaningen att utöka täckningen till synligt ljus samtidigt som den optiska aktiviteten bibehålls vid längre våglängder som krävde innovation i enhetens struktur, övervinna etablerade svårigheter i integrationen av optiska enheter med elektrokemiska celler.

"Här använde vi ett grafenbaserat litiumjonbatteri som en optisk enhet, " tillade han. "Genom att kontrollera elektrondensiteten hos grafen, vi kan nu styra ljus från synliga till mikrovågsvåglängder på samma enhet."

Nobelpristagaren professor Sir Kostya Novoselov var medförfattare på tidningen och sa:"Få-lagers grafen erbjuder oöverträffad kontroll över dess optiska egenskaper genom laddning. Sådana enheter kan hitta sina tillämpningar inom många områden:från adaptiv optik till termisk hantering."