Ett team ledd av University of Minnesota Twin Cities forskare har upptäckt en banbrytande process i ett steg för att skapa material med unika egenskaper, kallas metamaterial. Deras resultat visar den realistiska möjligheten att designa liknande självmonterade strukturer med potential att skapa "beställningsbyggda" nanostrukturer för bred tillämpning i elektronik och optiska enheter.

Forskningen publicerades och presenterades på omslaget till Nanobokstäver , en peer-reviewed vetenskaplig tidskrift publicerad av American Chemical Society.

I allmänhet, metamaterial är material tillverkade i labbet för att tillhandahålla specifika fysiska, kemisk, elektrisk, och optiska egenskaper som annars är omöjliga att hitta i naturligt förekommande material. Dessa material kan ha unika egenskaper som gör dem idealiska för en mängd olika tillämpningar från optiska filter och medicinsk utrustning till ljudisolering av flygplan och övervakning av infrastruktur. Vanligtvis produceras dessa material i nanoskala noggrant i en specialiserad renrumsmiljö under dagar och veckor i en tillverkningsprocess i flera steg.

I denna nya forskning, ett team från University of Minnesota studerade ett tunnfilmsmaterial som kallas strontiumstannat eller SrSnO3. Under sin forskning, de lade märke till den överraskande bildandet av rutmönster i nanoskala som liknar de metamaterialstrukturer som tillverkats i de kostsamma, flerstegsprocess.

"Först trodde vi att det här måste vara ett misstag, men insåg snart att det periodiska mönstret är en blandning av två faser av samma material med olika kristallstrukturer", sa Bharat Jalan, seniorförfattaren till studien och en expert på materialsyntes som är Shell-stolen vid University of Minnesotas avdelning för kemiteknik och materialvetenskap. "Efter samråd med kollegor vid University of Minnesota, University of Georgia, och City University of New York, vi insåg att vi kan ha upptäckt något ganska speciellt som potentiellt kan ha några unika tillämpningar."

Materialet hade spontant organiserat sig i en ordnad struktur när det förändrades från en fas till en annan. Under vad som kallas en "första ordningens strukturella fasövergångsprocess", materialet flyttade in i en blandad fas där vissa delar av systemet slutförde övergången och andra inte.

"Dessa periodiska mönster i nanoskala är den direkta konsekvensen av den första ordningens strukturella fasövergången i detta material, " sa University of Minnesota flygteknik och mekanik professor Richard James, en medförfattare till studien och en Distinguished McKnight University Professor. "För första gången, vårt arbete möjliggör en mängd möjligheter för att använda reversibla strukturella fastransformationer med nanoelektroniska och fotoniska system."

Faktiskt, teamet visade en process för den första någonsin, självmonterad, inställbar nanostruktur för att skapa metamaterial i bara ett steg. Forskarna kunde ställa in förmågan att lagra elektrisk laddningsegenskap inom en enda film med hjälp av temperatur och laservåglängd. De skapade effektivt ett variabelt fotoniskt kristallmaterial med 99 procent effektivitet.

Använda högupplösta elektronmikroskop, forskarna bekräftade materialets unika struktur.

"Vi observerade att gränserna mellan dessa kristallografiska faser var skarpt definierade på atomär skala, vilket är anmärkningsvärt för en självmonterad process, sade professor Andre Mkhoyan, en medförfattare till studien, en expert på avancerad elektronmikroskopi, och Ray D. och Mary T. Johnson/Mayon Plastics ordförande vid avdelningen för kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota.

Forskarna tittar nu på framtida tillämpningar för deras upptäckt i optiska och elektroniska enheter.

"När vi startade den här forskningen, vi har aldrig tänkt på dessa applikationer. Vi drevs av den grundläggande studien av materialets fysik, " sa Jalan. "Nu, helt plötsligt, vi verkar ha öppnat ett helt nytt forskningsområde, som drivs av möjligheten till många nya och spännande applikationer."