Secondo una ricerca condotta dall'Università del Michigan e dall'Air Force Research Laboratory, ora è possibile immaginare la calda turbolenza dei sistemi di propulsione degli aerei grazie a robusti fogli di materiali compositi che torcono i fasci di luce.
I fogli sono stati prodotti con un nuovo metodo di produzione che apre possibilità oltre la progettazione aeronautica, poiché consente l’utilizzo di nuove classi di materiali nell’ottica di polarizzazione. Sebbene il team abbia dimostrato una tolleranza alle alte temperature, si prevede che emergano anche nuove proprietà meccaniche, elettriche e fisiche, con potenziali applicazioni nel campo dell'energia, dei sensori per veicoli e robot e dell'esplorazione spaziale.
"La combinazione di più funzionalità in materiali 2D apre un mondo di possibilità", ha affermato Dhriti Nepal, ingegnere senior di ricerca sui materiali presso l'Air Force Research Laboratory e co-autore corrispondente dello studio pubblicato di recente su Nature .
"Pensa alle ali di una farfalla, che le permettono di volare, regolare la temperatura e riflettere la luce per produrre colori specifici per attirare i compagni ed evitare i predatori. Questa tecnica offre nuove opportunità di progettazione per creare dispositivi multifunzionali capaci di qualsiasi cosa si possa immaginare."
La chiave sta nel disporre i nanomateriali che non distorcono la luce da soli su strati che trasformano le onde luminose in spirali destrorse o sinistrorse, note come polarizzazioni circolari. Nell'esempio dell'aereo, la turbolenza creata dal motore fa girare la luce, che viene poi filtrata attraverso il materiale per l'imaging. Oggi, dispositivi come gli schermi LCD e le vernici termocromiche controllano già la torsione e l'orientamento delle onde luminose utilizzando cristalli liquidi, ma si sciolgono non molto al di sopra della temperatura ambiente.
"Potrebbero esserci situazioni in cui si desidera distorcere la luce al di fuori delle normali temperature operative dei cristalli liquidi. Ora possiamo realizzare dispositivi di polarizzazione della luce per questo tipo di impostazioni", ha affermato Nicholas Kotov, illustre professore di scienze chimiche dell'Università Irving Langmuir. e Ingegneria presso la UM e autore principale dello studio.
Il nuovo materiale può distorcere la luce a 250 gradi Celsius e, attraverso l'imaging della turbolenza nei motori degli aerei e in altre applicazioni, potrebbe consentire agli ingegneri aerospaziali di migliorare i progetti per migliorare le prestazioni di volo degli aerei.
"I futuri sistemi aerospaziali continuano a spingersi oltre il limite della fattibilità tecnica. Questi materiali ottici a basso costo offrono modularità, che è fondamentale per ottimizzare le soluzioni per un'ampia gamma di tecnologie future", ha affermato Richard Vaia, scienziato capo dei materiali e della produzione presso l'Air Force. Laboratorio di ricerca e autore corrispondente dello studio.
Per realizzare i materiali, i ricercatori hanno inserito delle scanalature microscopiche in un foglio di plastica e lo hanno ricoperto con diversi strati di minuscole particelle piatte con un diametro 10.000 volte inferiore a un millimetro. Queste particelle sono state mantenute in posizione con strati alternati di un adesivo molecolare e potrebbero essere realizzate con qualsiasi materiale che possa essere trasformato in nanoparticelle piatte. Per i loro materiali resistenti al calore, i ricercatori hanno utilizzato materiali simili alla ceramica chiamati MXenes.
Mentre la luce si muove attraverso il materiale, si divide in due fasci, uno con onde che oscillano orizzontalmente e un altro con onde che oscillano verticalmente. Le onde verticali passano più velocemente delle onde orizzontali. Di conseguenza, le onde escono fuori fase e appaiono come una spirale di luce. L'angolo delle scanalature determina la direzione in cui la luce si muove a spirale e gli strati di nanofili d'argento possono contribuire a garantire che la luce si muova esclusivamente a sinistra o a destra.
"I nostri calcoli suggeriscono che le proprietà ottiche non derivano dalle nanopiastre stesse, ma dal loro orientamento sulle scanalature causato dal nostro processo di fabbricazione", ha affermato André Farias de Moura, professore associato di chimica presso l'Università Federale di São Carlos e ricercatore. autore co-corrispondente dello studio.
Allo studio ha contribuito anche Felippe Colombari del Laboratorio nazionale brasiliano per le biorinnovabili. Nicholas Kotov è anche professore di ingegneria Joseph B. e Florence V. Cejka e professore di scienze e ingegneria macromolecolari.
Ulteriori informazioni: Jun Lu et al, Compositi complessi nano-achirali per ottiche di polarizzazione estrema, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07455-4
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università del Michigan
