Lavorando con fisici dell'Università di Roma, un team guidato dal professor Cordt Zollfrank dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha costruito a Straubing il primo laser casuale controllabile basato su carta di cellulosa. Il team ha quindi mostrato come le strutture naturali possono essere adattate per applicazioni tecniche. Quindi, i materiali non hanno più bisogno di essere artificialmente attrezzati con strutture disordinate, utilizzando invece quelli naturali.

La sintesi dei materiali ispirata alla biologia è un'area di ricerca presso la Cattedra di polimeri biogeni di TUM presso lo Straubing Center of Science. Utilizza modelli della natura e materiali biogeni per sviluppare nuovi materiali e tecnologie. L'ultimo numero della pubblicazione Materiali ottici avanzati presenta uno studio di base di un team congiunto di Straubing e Roma che è riuscito a "usare una struttura biologica come modello per un laser casuale tecnico, " secondo lo scienziato Dr Daniel Van Opdenbosch.

Per un laser sono necessari due componenti:prima di tutto, un mezzo che amplifica la luce. E in secondo luogo, una struttura che trattiene la luce nel mezzo. Un laser classico utilizza specchi per ordinare e far brillare la luce in un'unica direzione in modo mirato, moda uniforme. Ciò avviene uniformemente anche nella struttura microscopica di un laser casuale, ma in direzioni diverse. Sebbene lo sviluppo del laser casuale sia ancora agli inizi, in futuro potrebbe tradursi in una produzione a costi inferiori. Questo perché i laser casuali hanno il vantaggio di essere indipendenti dalla direzione e di funzionare con più colori, solo per citare alcuni vantaggi.

La struttura disordinata devia la luce in tutte le direzioni

"Il prerequisito per un laser casuale è un grado definito di caos strutturale all'interno, " ha spiegato Van Opdenbosch. La luce in un laser casuale viene quindi diffusa a tutti i tipi di angoli lungo percorsi casuali, che sono determinati da una struttura irregolare all'interno del mezzo. Il team guidato dal professor Zollfrank della cattedra di polimeri biogeni a Straubing ha utilizzato carta da filtro convenzionale da laboratorio come modello strutturale. "Grazie alle sue lunghe fibre e alla struttura stabile che ne risulta, lo abbiamo ritenuto idoneo a tale scopo, ", ha detto Van Opdenbosch.

In laboratorio, la carta era impregnata di ortotitanato di tetraetile, un composto organometallico. Quando si è asciugata e la cellulosa è stata bruciata a 500 gradi Celsius, lascia come residuo il biossido di titanio ceramico, la stessa sostanza generalmente utilizzata nella protezione solare per fornire protezione dal sole. "Questo effetto nella protezione solare si basa sul forte effetto di diffusione della luce del biossido di titanio, " disse Van Opdenbosch, "che abbiamo anche utilizzato per il nostro laser casuale." E "il nostro laser è 'casuale' perché la luce che viene diffusa in direzioni diverse a causa della struttura biogena della carta da filtro del laboratorio può essere diffusa anche nella direzione opposta, " Ha aggiunto, spiegando il principio.

Laser casuale non così casuale dopotutto

Però, le onde luminose possono ancora essere controllate nonostante la loro natura casuale, come ha scoperto il team guidato da Claudio Conti dell'Istituto per i Sistemi Complessi di Roma, con cui hanno collaborato Daniel Van Opdenbosch e Cordt Zollfrank. Con l'aiuto di uno spettrometro, sono stati in grado di differenziare le varie lunghezze d'onda laser generate nel materiale e di localizzarle separatamente l'una dall'altra.

Van Opdenbosch ha descritto la procedura:"La configurazione di prova utilizzata per mappare i campioni consisteva in un laser verde la cui energia poteva essere regolata, lenti del microscopio, e un tavolo mobile che permetteva di spostare il campione. Quel modo, i nostri colleghi sono stati in grado di determinare che a diversi livelli di energia, diverse aree del materiale irradiano onde laser diverse." Alla luce di questa analisi, è possibile configurare il laser in diversi modi e determinare la direzione e l'intensità della sua radiazione.

Questa conoscenza mette a portata di mano potenziali applicazioni pratiche. "Tali materiali potrebbero, Per esempio, essere utili come microinterruttori o rilevatori di modifiche strutturali, ", ha detto Van Opdenbosch.