Det finns mer att skumma än vad som syns. Bokstavligen. En studie av Princeton -forskare har visat att en typ av skum som länge studerats av forskare kan blockera vissa våglängder av ljus, en eftertraktad egendom för nästa generations informationsteknik som använder ljus istället för elektricitet.

Forskarna, integrera expertis från materialvetenskap, kemi och fysik, utfört uttömmande beräkningssimuleringar av en struktur som kallas ett Weaire-Phelan-skum. De fann att detta skum skulle tillåta vissa ljusfrekvenser att passera genom samtidigt som de helt reflekterar andra. Denna selektiva blockering, känd som ett fotoniskt bandgap, liknar beteendet hos en halvledare, berggrundsmaterialet bakom all modern elektronik på grund av dess förmåga att styra elektronflödet i extremt små skalor.

"Detta har den egenskap vi vill ha:en rundriktad spegel för ett visst frekvensområde, "sa Salvatore Torquato, professor i kemi och Princeton Institute for Science and Technology of Materials. Torquato, Lewis Bernard professor i naturvetenskap, publicerade resultaten 6 november i Proceedings of the National Academy of Science , med medförfattarna Michael Klatt, en postdoktor, och fysikern Paul Steinhardt, som är Princetons Albert Einstein -professor i vetenskap.

Medan många exempel på fotoniska bandluckor tidigare har visats i olika typer av kristaller, forskarna tror att deras nya fynd är det första exemplet i ett skum, liknande skummet av såpbubblor eller en fatöl. Till skillnad från det oregelbundna skummet av öl, Weaire-Phelan-skummet är ett exakt strukturerat arrangemang med djupa rötter i matematik och fysik.

Ursprunget till Weaire-Phelan-skummet är från 1887 då den skotska fysikern Lord Kelvin föreslog en struktur för "etern, "den mystiska substansen som då ansågs utgöra en bakgrundsstruktur för allt utrymme. Även om konceptet med etern redan höll på att misslyckas då, Kelvins föreslagna skum fortsatte att intrigera matematiker i ett sekel eftersom det verkade vara det mest effektiva sättet att fylla rymden med sammanlänkade geometriska former som har minsta möjliga ytarea.

1993, fysikerna Denis Weaire och Robert Phelan hittade ett alternativt arrangemang som kräver något mindre ytarea. Sedan dess, intresset för Weaire-Phelan-strukturen var främst matematik, fysik och konstnärliga gemenskaper. Strukturen användes som ytterväggen till "Beijing Water Cube" som skapades för OS 2008. Det nya fyndet gör nu strukturen intressant för materialvetare och teknologer.

"Du börjar med en klassisk, vackert problem i geometri, i matematik, och nu har du plötsligt det här materialet som öppnar ett fotoniskt bandgap, "Sa Torquato.

Torquato, Klatt och Steinhardt blev intresserade av Weaire-Phelan-skummet som en tangent i ett annat projekt där de undersökte "hyperuniforma" störda material som ett innovativt sätt att styra ljus. Även om det inte var deras ursprungliga fokus, de tre insåg att detta exakt strukturerade skum hade spännande egenskaper.

"Steg för steg, det blev uppenbart att det var något intressant här, "Torquato sa." Och så småningom sa vi, "Ok, låt oss lägga huvudprojektet åt sidan ett tag för att driva detta. ""

"Håll alltid utkik efter vad som ligger på vägen med forskning, "Tillade Klatt.

Weaire, som inte var inblandad i detta nya fynd, sade att Princeton -upptäckten är en del av ett bredare intresse för materialet sedan han och Phelan upptäckte det. Han sa att den möjliga nya användningen inom optik troligen kommer från att materialet är mycket isotropiskt, eller inte har starkt riktningsegenskaper.

"Det faktum att det visar ett fotoniskt bandgap är mycket intressant eftersom det visar sig ha så många speciella egenskaper, "sa Andrew Kraynik, en expert på skum som fick sin doktorsexamen i kemiteknik från Princeton 1977 och har studerat Weaire-Phelan-skummet omfattande men var inte inblandad i Princeton-studien. En annan Princeton -anslutning, sa Kraynik, är att ett viktigt verktyg för att upptäcka och analysera Weaire-Phelan-skummet är ett mjukvaruverktyg som heter Surface Evolver, som optimerar former efter deras ytegenskaper och skrevs av Ken Brakke, som tog sin doktorsexamen i matte vid Princeton 1975.

För att visa att Weaire-Phelan-skummet uppvisade de ljusstyrande egenskaperna de sökte, Klatt utvecklade en noggrann uppsättning beräkningar som han utförde på superdatoranläggningarna på Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

"Programmen han var tvungen att köra är verkligen beräknande intensiva, "Sa Torquato.

Arbetet öppnar många möjligheter för ytterligare uppfinning, sa forskarna, som kallade det nya arbetsområdet för "phoamtonics" (en blandning av "skum" och "fotonik"). Eftersom skum förekommer naturligt och är relativt enkla att göra, ett möjligt mål skulle vara att locka till sig råvaror för att självorganisera till det exakta arrangemanget av Weaire-Phelan-skummet, Sa Torquato.

Med vidare utveckling, skummet kan transportera och manipulera ljus som används inom telekommunikation. För närvarande bärs mycket av data som går igenom internet av glasfibrer. Dock, vid sin destination, ljuset omvandlas tillbaka till el. Fotoniska bandgapmaterial kan styra ljuset mycket mer exakt än konventionella fiberoptiska kablar och kan fungera som optiska transistorer som utför beräkningar med hjälp av ljus.

"Vem vet?" sa Torquato. "När du har fått detta som ett resultat, då ger det experimentella utmaningar för framtiden. "