Ученые сумели изменять оптический отклик пленок из углеродных нанотрубок

Возможность задавать ориентацию оптического отклика материала из частично упорядоченных одностенных углеродных нанотрубок установила в своем исследовании международная группа физиков, в состав которой вошли ученые из Московского физико-технического института (национального исследовательского университета), 27 сентября сообщает журнал МФТИ «За науку».

Результатом исследования, в котором, кроме физиков МФТИ, приняли участие специалисты из Сколтеха и Пекинского университета, стала теория, позволяющая предсказывать оптические свойства упорядоченных систем из одностенных углеродных нанотрубок. Она поможет создавать пленки с заданной ориентацией, например, для различных оптических элементов.

Полученные результаты были представлены в статье «Программируемые сети углеродных нанотрубок: управление оптическими свойствами посредством ориентации и взаимодействия», опубликованной в журнале Аdvanced Science.

Стимулом для проведения такого исследования для ученых Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ стал недавно открытый оптический эффект блуждающих оптических осей. Оптическими осями в анизотропном материале, свойства которого различны в разных направлениях, называются такие направления, по которым свет распространяется без расщепления на два луча.

Эффект блуждающих оптических осей проявляется в том, что в зависимости от длины волны падающего излучения меняется направление оптических осей материала. Такое явление может быть использовано для создания новых метаматериалов с задаваемым оптическим откликом.

Первый автор статьи, аспирант кафедры физики и технологии наноструктур МФТИ Кирилл Воронин рассказал о задаче проведенного исследования оптических свойств материалов из одностенных углеродных нанотрубок:

«Уникальной особенностью пленок из таких материалов является взаимная ориентация отдельных нанотрубок, которая влияет на многие свойства, в том числе оптические. Прогресс в синтезе позволил контролируемым образом располагать их друг относительно друга. Полученные в нашей работе теоретические расчеты позволяют предсказывать необходимое взаимное расположение углеродных нанотрубок для создания пленок с заданными оптическими свойствами, что способствует последующему синтезу и созданию оптических элементов с запрограммированными оптическими свойствами».

Если оптический отклик кристаллов изменить очень трудно из-за их жесткой структуры, то в материалах из углеродных нанотрубок такой отклик зависит от расположения самих нанотрубок, которое можно задавать при его синтезе.

Так, для получения изотропного оптического отклика, при котором оптические свойства будут одинаковы во всех направлениях, необходимо хаотичное расположение. Анизотропный отклик, при котором оптические свойства будут различны в разных направлениях, можно получить, упорядочив расположение нанотрубок.

«Контроль ориентации нанотрубок дал нам возможность адаптировать их оптические свойства для конкретных приложений, открывая возможности для достижений в различных областях, таких как фотоника, оптоэлектроника и нанотехнологии в целом», — пояснил Кирилл Воронин.

Тем, что углеродные нанотрубки стали идеальным кирпичиком для создания нового поколения наноматериалов с контролируемым или программируемым оптическим откликом, они обязаны тому, что одна углеродная нанотрубка обладает гигантской анизотропией.

То есть ее оптические свойства (например, показатель преломления) различны, когда свет падает на нее параллельно или перпендикулярно. При этом контакт углеродных нанотрубок друг с другом также оказывает взаимное влияние на их оптические параметры, образуя связанную структуру.

Исследование показало, что для выявления зависимости направления главных осей от длины волны необходимо учитывать влияние полей соседних нанотрубок. С этой целью исследователи синтезировали одностенные углеродные нанотрубки с разной ориентацией — случайной, выровненной и выровненной частично.

Добились они этого, осаждая углеродные нанотрубки на целлюлозные мембранные фильтры с соответствующей неоднородностью, которая и определяла расположение нанотрубок. Эксперименты показали, что фильтры с высокой степенью ориентации волокон хорошо задают ориентацию трубок нанопленок графена, которые в результате обладают эффектом блуждающей оси.

Такие метаматериалы и метаповерхности с контролируемым оптическим откликом могут стать основой для новых технологий в области нанофотоники. «Наконец, можно реализовать наши пленки с вращающимися оптическими осями для маркировки против подделок, используя положения оптических осей для идентификации, поскольку на сегодняшний день нет других вариантов управления оптическими осями», — указал на одно из возможных применений этих материалов Кирилл Воронин.

Он пояснил, что, если сделать чип или этикетку с пленкой из нанотрубок с вращающимися осями и закрепить на товаре, который нужно защитить от подделывания, то, измерив специальным прибором зависимость направления оси от длины волны, можно понять, официальная ли маркировка или поддельная. А чтобы подделать такую маркировку, нужно обязательно знать точную конфигурацию фильтра, используемого при изготовлении пленки, что станет коммерческой тайной.