(Phys.org)—Fysiker har byggt en nanotrådsbur som blockerar en eller flera våglängder av ljus från att antingen komma in eller fly, tillåter ändå vätskor och gaser att passera genom de små luckorna mellan nanotrådarna. Det "optiska metaget" drar fördel av de optiska egenskaperna hos nanotrådsstrukturer, och kan ha tillämpningar inklusive att skydda mikroorganismer från strålning, optiskt skärmande nanofotonikkomponenter, och laserdriven läkemedelstillförsel.

Forskarna, Ali Mirzaei, et al., vid Australian National University, har publicerat en artikel om den optiska metakage i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Vi har introducerat en ny klass av optiska och elektromagnetiska skärmningsstrukturer baserade på nanotrådar, " berättade Mirzaei Phys.org . "Dessa strukturer, som vi kallar metacages, kan ge antingen bred- eller smalbandig elektromagnetisk skärmning. Anmärkningsvärt, metacages kan utformas med stora luckor mellan nanotrådarna, med tillräckligt med utrymme för vätskor och gaser att fritt passera igenom. Den diskreta naturen hos metacages erbjuder stor flexibilitet när det gäller att designa skärmningsstrukturer av nästan godtyckliga former."

På vissa sätt, det optiska metakaget liknar en osynlighetsmantel, eftersom båda typerna av enheter skyddar föremål från elektromagnetisk strålning. Dock, det optiska metakaget förblir synligt medan osynlighetsmanteln inte gör det. Också till skillnad från osynlighetskappor, det optiska metaget kan skydda föremål med godtycklig form, vilket forskarna demonstrerade genom att bygga ett metacage i form av Australien.

Det optiska metakaget kan göras av olika typer av nanotrådar (halvledare, keramik, eller metaller) med olika antal lager, inklusive två- och treskiktsstrukturer. Nanotrådarna är åtskilda så att mellanrummen mellan dem är ungefär lika stora som nanotrådarnas radie. Ljus kan inte passera genom dessa luckor eftersom nanotrådarna absorberar ljus som kommer inom detta närområde. Gränslinjerna mellan området där ljuset är tillräckligt nära för att absorberas av nanotråden och området där det flyter runt nanotråden utan att absorberas kallas "separatriker".

För att blockera ljus från att passera genom metakaget, själva nanotrådarna behöver inte överlappa varandra, men separatorerna för intilliggande nanotrådar måste överlappa varandra. Det är därför metakaget kan ha luckor samtidigt som det blockerar ljustransmission. Att beräkna separatriserna kräver att man inte bara tar hänsyn till enskilda nanotrådar, men också interaktionen mellan flera nanotrådar.

Det optiska metaget kan utformas för att blockera ett brett spektrum av våglängder genom att justera storleken på mellanrummen. Genom att minska gapstorleken till cirka 5-20 nm, forskarna visade att det är möjligt att skärma bandbredder på upp till 600 nm, som är tillräckligt stor för att skydda hela det synliga området. Metacages kan också designas för att blockera två olika våglängder samtidigt (som 440 nm och 600 nm), samtidigt som ljus med andra våglängder kan passera igenom.

Även om dessa klyftor är relativt små, de är tillräckligt stora för att tillåta vätske- och gasmolekyler att passera igenom. Denna förmåga gör metacages lovande för biologiska tillämpningar, där de kan användas för att skydda levande mikroorganismer och celler från strålning, samtidigt som näringsämnen och vatten kan komma in för att hålla de levande varelserna vid liv.

Metacages kan också användas i optiska kretsar, där de optiskt skulle kunna isolera kretskomponenter för att eliminera oönskade störningar. En annan potentiell tillämpning är läkemedelsleverans, där burar innehållande läkemedel kunde användas för kontrollerad läkemedelsfrisättning.

I framtiden, forskarna planerar att ytterligare undersöka dessa applikationer och designa nya metacage-konfigurationer.

"Idén om att överlappa separatriserna och blockera vågutbredningen med arrayer av nanotrådar kan utökas till andra nanostrukturer, som nanosfärer, som kan bilda kompletta 3D-metacages, sa Mirzaei.

© 2015 Phys.org