I laboratori di ricerca sviluppano costantemente nuovi materiali che dovrebbero esibire nuove proprietà destinate a rivoluzionare questa o quella tecnologia. Ma non basta creare semplicemente questi materiali; gli scienziati devono anche trovare metodi efficienti di elaborazione e messa a punto. Inoltre, i compositi sono spesso realizzati mediante l'aggiunta di nanoparticelle in una matrice di base, ecco perché è necessario trovare un modo per manipolare la posizione, dimensione, e tasso di concentrazione di queste particelle che escluderebbe anche le più piccole deviazioni invisibili all'occhio umano.

I ricercatori dell'Università ITMO hanno migliorato la tecnica di lavorazione locale di compositi a base di vetro nanoporoso con aggiunta di argento e rame. Ora, è possibile prevedere con elevata precisione le proprietà ottiche di un componente plasmonico durante il suo trattamento. Questa ricerca è stata pubblicata in Nanomateriali .

Per millenni, l'umanità ha dovuto adattarsi ai materiali di cui disponeva:metalli, Di legno, calcolo, minerali, ecc. Oggi, gli esseri umani hanno imparato ad adattare i materiali di cui dispongono alle proprie esigenze, creare materiali compositi a partire da più componenti. Questi materiali hanno nuove proprietà e aprono nuove opportunità. Hanno un grande potenziale per l'uso in dispositivi ottici come laser, lidar, sensori, lenti a contatto, guide d'onda, e altri dispositivi che elaborano segnali luminosi. In particolare, i ricercatori nutrono grandi speranze per il vetro potenziato con nanoparticelle metalliche.

"Tali materiali possono essere usati come filtri ottici, " spiega Pavel Varlamov, un ingegnere di ricerca presso la Facoltà di Fotonica Laser e Optoelettronica. "Luce bianca, come sappiamo, è costituito da un gran numero di lunghezze d'onda e potrebbe essere necessario, Per esempio, evidenziare o escludere una certa banda di spettro, come il blu o il giallo. Ecco a cosa servono i filtri ottici, e possono essere utilizzati nei laser, rifrattori, lenti a contatto, o guide d'onda."

A seconda di quali ioni di metallo vengono aggiunti al vetro, il composto risultante può essere utilizzato per manipolare varie parti dello spettro. Ad esempio, se dovessi aggiungere nanoparticelle di argento e rame nel vetro, assorbirebbe le radiazioni nella banda blu-verde. Ma aggiungendo nanoparticelle di argento e rame nel vetro normale, come il tipo utilizzato per realizzare finestre o stoviglie, sarebbe un processo complesso e costoso che coinvolge numerose reazioni chimiche. Ecco perché gli scienziati preferiscono utilizzare uno speciale vetro nanoporoso per questi scopi.

Una volta che le nanoparticelle sono state "inserite" nei pori, il materiale viene alterato con radiazione laser per arricchirlo di nuove proprietà ottiche che lo rendono possibile, ad esempio, controllare accuratamente lo spettro luminoso trasmettendo o assorbendo fasci di luce di una banda specifica.

Ma c'è un problema:durante il trattamento destinato a "incollare insieme" i componenti di un nuovo materiale, le nanoparticelle metalliche cambiano la loro forma e persino la loro composizione chimica. Durante tutto il processo, il materiale cambia il modo in cui interagisce con la radiazione laser; essenzialmente, inizia ad assorbire meglio la radiazione all'interno di una specifica banda dello spettro. Questo presenta diverse sfide per il processo di trattamento. Un laser non può essere semplicemente sintonizzato su valori specifici e quindi utilizzato per trattare il materiale dall'inizio alla fine; deve essere continuamente adattato ai cambiamenti che si verificano all'interno del materiale.

"Il metodo che abbiamo suggerito consente di creare elementi voluminosi in microscala con un picco di risonanza plasmonica che può essere controllato in tempo reale, "dice Roman Zakoldaev, ricercatore presso la Facoltà di Fotonica Laser e Optoelettronica. "Il metodo mira a ottimizzare i parametri dell'alterazione laser tramite feedback".

Per regolare le prestazioni del laser durante il trattamento, gli scienziati devono eseguire istantaneamente calcoli complessi delle modifiche già avvenute e delle modifiche che dovrebbero essere apportate alle impostazioni del laser. Per quello, hanno bisogno di un modello fisico-matematico flessibile; tale modello è diventato la base di un algoritmo progettato per gestire la lavorazione di questi materiali.

I ricercatori dell'Università ITMO hanno suggerito un modello matematico che tenesse conto della forza della radiazione e dei cambiamenti che provoca nel materiale. Ciò consente ai ricercatori di produrre materiali con le esatte proprietà ottiche che sono state inizialmente prese in considerazione nei calcoli.

"Siamo riusciti a proporre un algoritmo di calcolo che presenta la struttura elettronica, dimensione, e concentrazione di nanoparticelle con le proprietà ottiche del materiale come un ambiente efficace (?), " afferma Maksim Sergeev. "L'utilizzo dell'algoritmo insieme a un modello di crescita delle particelle controllata dalla diffusione ci ha permesso di tracciare i cambiamenti ottici nel trattamento laser in tempo reale".

Il metodo suggerito renderebbe la creazione di componenti plasmonici ottici unici economici e facili da maneggiare, aprendo nuove opportunità per la loro integrazione nella produzione industriale.