Att avbilda den heta turbulensen hos flygplans framdrivningssystem kan nu vara möjligt med robusta ark av kompositmaterial som vrider ljusstrålar, enligt forskning ledd av University of Michigan och Air Force Research Laboratory.
Arken producerades med en ny tillverkningsmetod som öppnar möjligheter bortom flygplansdesign, eftersom den gör det möjligt att använda nya klasser av material i polarisationsoptik. Samtidigt som teamet visade hög temperaturtolerans, förväntas nya mekaniska, elektriska och fysiska egenskaper också dyka upp – med potentiella tillämpningar inom energi, sensorer för fordon och robotar och rymdutforskning.
"Att kombinera flera funktioner i 2D-material öppnar upp en värld av möjligheter", säger Dhriti Nepal, senior forskningsmaterialingenjör vid Air Force Research Laboratory och en motsvarande författare till studien som nyligen publicerades i Nature .
"Tänk på en fjärils vingar, som gör att den kan flyga, reglera temperaturen och reflektera ljus för att producera specifika färger för att attrahera kompisar och undvika rovdjur. Denna teknik ger nya designmöjligheter för att skapa multifunktionella enheter som kan göra allt man kan föreställa sig."
Nyckeln är att arrangera nanomaterial som inte vrider ljus på egen hand till lager som förvandlar ljusvågor till antingen vänster- eller högerhänta spiraler, så kallade cirkulära polarisationer. I flygplansexemplet snurrar turbulens som skapas av motorn ljuset, som sedan filtreras genom materialet för avbildning. Idag kontrollerar enheter som LCD-skärmar och termokroma färger redan vridningen och orienteringen av ljusvågor med hjälp av flytande kristaller, men de smälter inte långt över omgivningstemperaturerna.
"Det kan finnas situationer där du vill vrida ljus utanför de normala driftstemperaturerna för flytande kristaller. Nu kan vi göra ljuspolariserande enheter för den typen av inställningar", säger Nicholas Kotov, professor vid Irving Langmuir Distinguished University of Chemical Sciences. and Engineering vid UM och huvudförfattare till studien.
Det nya materialet kan vrida ljus i 250 grader Celsius, och genom avbildning av turbulens i flygplansmotorer och andra applikationer kan det göra det möjligt för flygingenjörer att förbättra designen för bättre flygprestanda för flygplan.
"Framtida flygsystem fortsätter att skjuta på kanten av teknisk genomförbarhet. Dessa billiga optiska material erbjuder modularitet, vilket är avgörande för att optimera lösningar för ett brett utbud av framtida teknologier", säger Richard Vaia, material- och tillverkningschef vid flygvapnet. Research Laboratory och en motsvarande författare till studien.
För att tillverka materialen satte forskarna mikroskopiska spår i ett plastark och täckte det med flera lager av små, platta partiklar med en diameter som är 10 000 gånger mindre än en millimeter. Dessa partiklar hölls på plats med omväxlande lager av ett molekylärt bindemedel, och de kunde tillverkas av vilket material som helst som kan göras till platta nanopartiklar. För sina värmetoleranta material använde forskarna keramikliknande material som kallas MXenes.
När ljuset rör sig genom materialet delar det sig i två strålar, en med horisontellt oscillerande vågor och en annan med vertikalt oscillerande vågor. De vertikala vågorna passerar snabbare än de horisontella vågorna. Som ett resultat går vågorna ur fas och visas som en spiral av ljus. Vinkeln på spåren bestämmer i vilken riktning ljusspiralerna, och lager av silver nanotrådar kan hjälpa till att säkerställa ljusspiralerna enbart till vänster eller höger.
"Våra beräkningar tyder på att de optiska egenskaperna inte kom från själva nanoplattorna, utan från deras orientering på spåren som orsakats av vår tillverkningsprocess", säger André Farias de Moura, docent i kemi vid Federal University of São Carlos och en medförfattare till studien.
Felippe Colombari från Brazilian Biorenewables National Laboratory bidrog också till studien. Nicholas Kotov är också professor i ingenjörsvetenskap av Joseph B. och Florence V. Cejka och professor i makromolekylär vetenskap och teknik.
Mer information: Jun Lu et al, Nano-achirala komplexa kompositer för extrem polarisationsoptik, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07455-4
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Michigan
