利用列印的聚合物準晶體來捕捉光

2021-01-15 實驗幫

俄羅斯聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學（ITMO）的科學家們進行了幾項實驗來研究聚合物準晶體結構，並最終證實了他們最初的理論，在未來，準晶體的使用可能為雷射和傳感器的設計開闢新的可能性。

晶體是具有周期性結構的固體，也就是說，當原子發生位移時，它們會佔據其他原子的確切位置，後者在移位之前被佔據。這一事實在20世紀初得到了科學證明。它產生了現代固態物理，也為半導體技術的發展奠定了基礎。

機械與光學大學物理與工程系副教授米哈伊爾·瑞賓（Mikhail Rybin）說：「電腦、智慧型手機、LED燈泡、雷射器——我們無法想像的日常生活中的一切都是由於我們了解半導體材料晶體結構的性質而設計的。周期結構理論使我們可以得出這樣的結論：波，無論是光、電子還是聲音，都只能以兩種方式運動。要麼波在晶體中向前傳播，要麼在所謂的帶隙頻率處迅速衰減。沒有其他選擇，它大大簡化了粒子傳播的規律，同時也方便了工程任務。」

然而，有些設備需要一種既不發射也不消滅波的晶體，而是在一段時間內保留它，就像需要一個光「陷阱」。

理想情況下，整個材料都應該起到陷阱的作用，因為捕捉到的光越多，波與活性物質的相互作用就越有效。然而，在晶體的情況下，這是不可能的。可以使用像粉末這樣的隨機結構，但是粒子的無序排列很難重現。另一種方法是使用準晶體：它們的結構不像晶體中那樣形成周期性晶格，但同時，在數學上表現出嚴格的有序性。2017年，研究人員預測，在這樣的結構中，將光定位是可能的。

機械與光學大學的科學家成功地利用三維納米印刷技術製作了聚合物準晶體樣品。他們進行了研究，以研究其表面的質量。「在那之後，我們做了一個實驗，」這項工作的合著者Artem Sinelnik解釋說，「向準晶體發射了一個短脈衝光，並測量了所謂的餘輝。事實證明，光在我們的樣品中是有延遲的，也就是說，波在裡面停留了很長時間。因此，我們證實了在三維聚合物準晶體中捕獲光的能力。」

來源：https://phys.org/news/2020-09-scientists-capture-polymeric-quasicrystal.html

相關焦點

  • 在聚合物準晶中捕捉到光——為雷射和傳感器的設計帶來新的可能
    周期結構的理論使得我們可以得出這樣的結論，要使物質產生光，電子或者聲音，只有兩種辦法。一種辦法就是波長在晶體中的向前傳播，或者它快速的在一種稱之為帶間隙的波長處消散。幾乎不存在其他的選擇和它非常容易的簡化了當實施工程任務的時候粒子傳統的規律。然而，一些器件需要晶體不會傳輸波長和不會發生熄滅。但可以在一定時間內像光」陷阱「一樣保持它本身也是必須的。
  • 準晶體:勇敢者的追逐
    他沒有意識到，他當時已經發現了第一個準晶體。2011年，Shechtman因此榮獲諾貝爾化學獎。Steinhardt和Levine意識到了其中蘊含的意義，將其理論研究成果發表在《物理評論快報》上，為準晶體研究奠定了基礎（D. Levine and P. J. Steinhardt Phys. Rev. Lett. 53, 2477; 1984）。
  • 3D列印導電聚合物
    3D列印導電聚合物3D Printing of Conducting Polymers導電聚合物在儲能、柔性電子、生物電子等領域有著廣泛的應用前景。然而，導電聚合物的製備主要依靠傳統方法，如噴墨印刷、絲網印刷和電子束光刻，其局限性阻礙了導電聚合物的快速創新和廣泛應用。
  • 《Science Advances》多種紫外固化聚合物用於3D列印高拉伸水凝膠
    混合結構在基於DLP的自建多材料3D印表機上列印。通過水溶性光引發劑TPO納米粒子引發的AP水凝膠的不完全聚合來實現AP水凝膠與其他聚合物之間的共價鍵合。作者演示了一些利用這種方法的應用程式。所提出的方法為通過將水凝膠與其他3D形式的聚合物粘合而實現多功能軟設備和機器鋪平了新途徑。
  • 導電聚合物「升維」製造3D列印迎來新突破
    導電聚合物在儲能、柔性電子、生物醫藥等多個領域具有重要應用前景。當前導電聚合物的加工主要依賴於噴墨印刷、絲網印刷和光刻技術等技術。這些加工技術工藝複雜、成本高，限制了導電聚合物的快速創新及廣泛應用。近日，麻省理工學院趙選賀團隊發明了一種導電聚合物墨水，首次實現了導電聚合物的高精度3D列印，為導電聚合物的加工製造提供了一個簡單快速、成本低廉的技術。該墨水列印性優異，實現導電聚合物微結構的高解析度3D列印；並可與現有列印材料集成，實現多材料3D列印。趙選賀團隊展示了高密度電極、柔性微電路等生物電子器件的快速、高通量製造。
  • 光與影的魅力 3D列印之光聚合成型技術
    其實這是3D列印技術之一的光固化技術的傑作，當牙醫為病人補牙的時候，先用光敏樹脂當成填充物，然後用UV光照射填充物將其硬化，完成補牙的動作。那麼，究竟什麼是光固化技術呢？今天我們將從技術原理和實際應用的角度來做一下具體解析。
  • 利用結構雷射合成人造固態晶體結構
    江蘇雷射聯盟導讀：研究人員發明了一種利用結構雷射來實現人造固體晶體結構的方法，製造的能帶只需要調整雷射的模式就可以輕鬆實現，從而可以在一種無創傷性的方法下進入人造晶格的量子物理系統中利用雷射合成人造固態晶體結構的實驗裝置示意圖來自英國的斯科爾特和南安普頓
  • 南科大/浙大《Science》子刊:3D列印包含多種可紫外固化聚合物的...
    帶有光引發劑I2959的水凝膠前體溶液僅適用於基於DIW的3D列印，這使用戶可以先列印出3D結構並在甚至更短波長的紫外線照射下進行數小時的後固化，以使水凝膠交聯。聚合轉化率的差異也反映在交聯水凝膠的宏觀力學行為上。由TPO引發的那一種具有較低的剛度和拉伸性，但它有利於將水凝膠與其他UV固化（甲基）丙烯酸酯聚合物粘合。
  • MME：高性能異氰酸酯熱固聚合物3D列印
    創新點針對目前3D列印熱固性聚合物材料不能兼具高列印精度、高力學強度、高耐熱性能的問題，中國科學院蘭州化學物理研究所研究團隊發展了一種具有優異光固化性能的3D列印異氰酸酯樹脂，採用數字光處理（DLP）3D列印成型後再熱固化交聯的策略實現了高性能熱固性聚合物材料及其複雜構件的製造
  • 雷射院士要在溫州建3D列印技術開發基地
    他指出，要用好3D列印技術，雷射、材料和計算機三大技術是關鍵，藉助我市正著力打造的雷射與光電產業集群，可以將雷射技術與3D列印技術相互結合，並加以利用。研討會上，來自吉林大學的李光玉教授等專家也圍繞雷射技術做了主題報告。　　同時，溫州雷射工程技術聯合研究院還舉行了揭牌儀式。
  • 麻省理工趙選賀等人Nature子刊:高性能3D列印導電聚合物!
    導電聚合物在儲能、柔性電子和生物電子學等各種領域中都是很有前途的候選材料。然而，導電聚合物的製備大多依賴於傳統的方法，如噴墨印刷、絲網印刷和光刻技術等，其局限性阻礙了導電聚合物的快速創新和廣泛應用。儘管近年來在導電聚合物及其應用方面取得了進展，但導電聚合物結構和器件的製造大多依賴於傳統的製造技術，如噴墨印刷、絲網印刷、氣溶膠印刷、電化學圖案化和光刻技術等，具有很大局限性和挑戰性。例如，這些現有的導電聚合物製造技術僅限於低解析度（超過100m）、二維（例如低縱橫比）模式以及過程複雜，成本較高，大大阻礙了導電聚合物的快速創新和廣泛應用。
  • 《Soft Matter》：利用微尺度3D列印和礦物塗層技術助力功能性微流控研究
    近年來，高精度3D列印技術的迅速發展使得復現這種複雜的多孔結構變得可能。藉助流動可視化手段，3D列印的微流控模型可以用於直接觀察流體流動的動態過程。但是，目前列印材料僅限於光固化聚合物及其衍生物，其理化特性包括其礦物化學、晶體結構、表面潤溼性等與天然巖石（如碳酸巖）存在顯著差異。所有這些特性都對多孔介質中的流體相變和多相流動過程有著重要影響。
  • 材料科學領域驚心動魄的故事:勇敢者追逐的準晶體
    在《第二種不可能》一書中，理論物理學家Paul Steinhardt講述了自己尋找天然準晶體的一段動人心魄的經歷（準晶體是一種具有晶體所不具備的原子排列形式的物質形式）。這本書既有嚴謹清晰的科學實錄，也記錄了跌宕起伏的冒險奇遇：發現、失望、興奮與堅持，全部交織在一起。在晶體中，原子按照一定規則重複排列。
  • 光子準粒子:光與物質的相互作用
    該文章聚焦總結了近年來光與物質基於光子準粒子進行相互作用的重要進展，用統一的理論將電子與微腔（或光子晶體）中的光子、等離激元、聲子和激子等之間看似不同的相互作用囊括在一個框架中。這篇綜述從一個全新的視角看待光與物質相互作用中的束縛電子和自由電子，詳細介紹了如何通過宏觀量子電動力學理論框架去統一描述這些看似不同的電子系統中的光子準粒子現象。
  • 手握「瓶刷」，給你「3D列印」點顏色看看
    花朵的顏色多來自色素，色素吸收或者反射特定波長的光產生色彩；而蝴蝶或者變色龍的顏色源於這些生物體表的細微結構——比如納米「光子晶體」（ photonic crystal，PC）——對光的散射、衍射和幹涉等，這種現象也就是所謂的「結構色」。結構色有很多優勢，比如不易褪色、不怕水洗、顏色可調等。不過，使用目前流行的3D列印技術還無法方便快捷的實現結構色。
  • 發現準晶體的「準科學家」:我為何能扛住最偉大化學家的質疑
    10歲那年，謝赫德曼聽說科學老師有一臺顯微鏡，便幾次央求他帶到教室裡來。他終於得償所願，用顯微鏡觀察了一片樹葉樣本。「你能看到葉綠素在裡面流動！」77歲的謝赫德曼講起往事時仍有孩童般的激動。「太有趣了！我覺得從此之後我一天都離不開顯微鏡。」
  • 研究人員利用3D列印透鏡改善光學和數據傳輸的性能
    研究人員開發出了新的3D列印微透鏡，具有可調節的折射率，這一特性使其具有高度專業化的光聚焦能力。研究人員表示，這一進展將通過顯著提高計算機晶片和其他光學系統的數據路由能力來改善成像、計算和通信。通過在製造過程中控制內部折射率和透鏡的形狀，我們有兩種獨立的方式來彎曲單一透鏡內部的光線。"在實驗室中，該團隊使用一種名為直接雷射寫入的過程來製造鏡片。雷射將液態聚合物凝固，形成比人的頭髮小100倍的小型幾何光學結構。研究人員表示，過去已經使用直接雷射寫入來創建只有一種折射率的微透鏡。
  • 聚合物、金屬、陶瓷和複合材料,3D列印材料原來這麼複雜!
    而每種列印技術的列印材料都是不一樣的，比如SLS常用的列印材料是金屬粉末，而SLA通常用光敏樹脂，FDM採用的材料比較廣泛如ABS塑料、PLA塑料等等。 隨著技術的發展，目前3D列印的應用材料方面已取得非常大的進展。因此對於用戶來說，要真正實現和發揮3D列印的優勢，必須了解多種多樣可利用的材料以及每種材料如何發揮各自的具體特性來提升原型或生產用部件的品質。
  • 《JACS》綜述:量子光引發劑——邁向新興的光固化技術!
    Pawar等人開發出能夠在近紫外線範圍內激發的高效量子PI，其能夠在商業3D印表機中用作光引發劑，實現工業化的光固化技術（圖4d）。這樣的3D光刻印表機能夠輕鬆地生產複雜結構，這往往是常規製造技術所無法實現。這些技術中的3D列印基於局部聚合過程，該過程由光照射和光引發劑形成反應性產物而觸發。
  • 【光響應】Angew. Chem.:光碟機動有機微米晶體的自主類鞭毛運動—「硬晶體」的「軟運動」
    為了能夠實現用光來驅動材料進行類似生命體中鞭毛一樣的非線性機械運動如波動、螺旋運動以及大幅度的彎曲運動，人們需要採用可以將光能通過光化學反應轉化為機械能的光機械響應材料。之前，人們已經在聚合物和液晶材料這類具有彈性的典型「軟材料」中實現了光誘導下的非線性振蕩運動。但是，在「硬」材料（如分子晶體）中，實現這種非線性光機械響應運動還存在著挑戰。