I ricercatori del MIT e di diverse altre istituzioni hanno sviluppato un metodo per realizzare dispositivi fotonici, simili ai dispositivi elettronici ma basati sulla luce anziché sull'elettricità, in grado di piegarsi e allungarsi senza danni. I dispositivi potrebbero trovare usi nei cavi per collegare dispositivi informatici, o in sistemi diagnostici e di monitoraggio che potrebbero essere attaccati alla pelle o impiantati nel corpo, flettendo facilmente con il tessuto naturale.

Le scoperte, che comportano l'uso di un tipo speciale di vetro chiamato calcogenuro, sono descritti in due articoli del Professore Associato del MIT Juejun Hu e più di una dozzina di altri al MIT, l'Università della Florida centrale, e università in Cina e Francia. Il documento è previsto per la pubblicazione presto in Luce:scienza e applicazioni .

Hu, chi è il professore associato Merton C. Flemings di scienza e ingegneria dei materiali, afferma che molte persone sono interessate alla possibilità di tecnologie ottiche in grado di allungarsi e piegarsi, soprattutto per applicazioni come i dispositivi di monitoraggio montati sulla pelle che potrebbero rilevare direttamente i segnali ottici. Tali dispositivi potrebbero, Per esempio, rilevare contemporaneamente la frequenza cardiaca, livelli di ossigeno nel sangue, e anche la pressione sanguigna.

I dispositivi fotonici elaborano direttamente i raggi di luce, utilizzando sistemi di LED, lenti a contatto, e specchi fabbricati con gli stessi tipi di processi utilizzati per produrre microchip elettronici. L'utilizzo di fasci di luce piuttosto che un flusso di elettroni può avere vantaggi per molte applicazioni; se i dati originali sono basati sulla luce, Per esempio, l'elaborazione ottica evita la necessità di un processo di conversione.

Ma la maggior parte dei dispositivi fotonici attuali sono fabbricati da materiali rigidi su substrati rigidi, Hu dice, e quindi avere una "mancata corrispondenza intrinseca" per applicazioni che "dovrebbero essere morbide come la pelle umana". Ma la maggior parte dei materiali morbidi, compresa la maggior parte dei polimeri, hanno un indice di rifrazione basso, che porta a una scarsa capacità di confinare un raggio di luce.

Invece di utilizzare materiali così flessibili, Hu e il suo team hanno adottato un approccio innovativo:hanno formato il materiale rigido, in questo caso un sottile strato di un tipo di vetro chiamato calcogenuro, in una spirale a forma di molla. Proprio come l'acciaio può essere fatto per allungarsi e piegarsi quando viene formato in una molla, l'architettura di questa bobina di vetro gli consente di allungarsi e piegarsi liberamente mantenendo le sue proprietà ottiche desiderabili.

"Finisci con qualcosa di flessibile come la gomma, che può piegarsi e allungarsi, e ha ancora un alto indice di rifrazione ed è molto trasparente, " dice Hu. I test hanno dimostrato che tali configurazioni primaverili, realizzato direttamente su un substrato polimerico, possono subire migliaia di cicli di allungamento senza alcun degrado rilevabile nelle loro prestazioni ottiche. Il team ha prodotto una varietà di componenti fotonici, interconnessi dal flessibile, guide d'onda primaverili, il tutto in una matrice di resina epossidica, che è stato reso più rigido vicino ai componenti ottici e più flessibile attorno alle guide d'onda.

Altri tipi di fotonica estensibile sono stati realizzati incorporando nanotubi di un materiale più rigido in una base polimerica, ma richiedono passaggi di produzione aggiuntivi e non sono compatibili con i sistemi fotonici esistenti, Hu dice.

così flessibile, i circuiti fotonici estensibili potrebbero anche essere utili per applicazioni in cui i dispositivi devono conformarsi alle superfici irregolari di qualche altro materiale, come negli estensimetri. La tecnologia ottica è molto sensibile alle sollecitazioni, secondo Hu, e potrebbe rilevare deformazioni inferiori a un centesimo dell'1 per cento.

Questa ricerca è ancora in fase iniziale; Finora il team di Hu ha dimostrato solo singoli dispositivi alla volta. "Perché sia ​​utile, dobbiamo dimostrare tutti i componenti integrati su un unico dispositivo, " dice. Il lavoro è in corso per sviluppare la tecnologia fino a quel punto in modo che possa essere applicata commercialmente, che Hu dice che potrebbero volerci altri due o tre anni.

In un altro articolo pubblicato la scorsa settimana in Fotonica della natura , Hu e i suoi collaboratori hanno anche sviluppato un nuovo modo di integrare strati di fotonica, realizzati in vetro calcogenuro e materiali bidimensionali come grafene, con circuiti fotonici a semiconduttore convenzionali. I metodi esistenti per l'integrazione di tali materiali richiedono che siano realizzati su una superficie e quindi staccati e trasferiti al wafer semiconduttore, che aggiunge una notevole complessità al processo. Anziché, il nuovo processo consente di fabbricare gli strati direttamente sulla superficie del semiconduttore, a temperatura ambiente, consentendo una fabbricazione semplificata e un allineamento più preciso.

Il processo può anche utilizzare il materiale calcogenuro come "strato di passivazione, " per proteggere i materiali 2-D dal degrado causato dall'umidità ambientale, e come un modo per controllare le caratteristiche optoelettroniche dei materiali 2-D. Il metodo è generico e potrebbe essere esteso ad altri materiali 2-D emergenti oltre al grafene, per espandere e accelerare la loro integrazione con i circuiti fotonici, Hu dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.