In un laboratorio dell'Università di Rochester, i ricercatori stanno usando i laser per cambiare la superficie dei metalli in modi incredibili, come renderli super idrorepellenti senza l'utilizzo di rivestimenti speciali, vernici, o solventi.

Le applicazioni commerciali della tecnologia spaziano dallo sbrinamento di aerei commerciali e grandi camion, per prevenire la ruggine e la corrosione delle superfici metalliche esposte, per pulire, superfici antimicrobiche per strutture chirurgiche e mediche.

Ma per rendere la tecnologia commercialmente fattibile, i laser devono diventare molto più potenti.

Una società tecnologica sostenuta da capitale di rischio, FemtoRoc Corp., sta intraprendendo un progetto di ricerca congiunto con John Marciante, professore associato di ottica, e l'Istituto di Ottica dell'Università per sviluppare quei laser più potenti. Il progetto, dovrebbe durare sei anni, ha un budget di ricerca stimato in 10 milioni di dollari.

"Quello di cui [FemtoRoc] hanno bisogno è un potente, ultra veloce, sistema laser di classe femtosecondi con potenza media misurata in kilowatt, invece delle decine di watt ora disponibili in commercio, "dice Marciante. "Allora, dobbiamo aumentare di oltre un fattore 10."

"È un'impresa molto ambiziosa".

Il proprietario, La tecnologia superidrofobica utilizza i laser per creare un modello intricato di strutture su micro e nanoscala, conferendo alle superfici metalliche trattate un nuovo insieme di proprietà fisiche.

Nel 2015, Chunlei Guo, un professore di ottica, e Anatoliy Vorobyev, uno scienziato senior presso l'Istituto di Ottica, descritto l'estremamente potente, ma gli impulsi laser ultracorti che usavano per cambiare in modo permanente la superficie dei metalli.

Guo e Vorobyev hanno utilizzato con successo questa tecnica per creare non solo superfici metalliche estremamente idrorepellenti, ma anche quelli che attirano l'acqua. Il laboratorio di Guo ha anche creato un processo per trattare le superfici metalliche in modo da assorbire praticamente tutte le lunghezze d'onda della luce ambientale e che ha una vasta gamma di applicazioni commerciali, compreso sottile, celle solari ultra efficienti.

Però, ci vuole circa un'ora per il laboratorio di Guo per modellare un campione di metallo da 1 pollice per 1 pollice utilizzando disponibile in commercio, laser a bassa potenza. Più potente, sono necessari impulsi laser a femtosecondi ultraveloci per accelerare il processo e rendere la tecnologia commercialmente fattibile.

Per sviluppare i laser, Laboratorio di Marciante, specializzata nello sviluppo di soluzioni avanzate, ad alta potenza, laser a fibra, dovrà affrontare due sfide principali.

Uno è che i raggi laser sono solitamente confinati in fibre ottiche progettate convenzionalmente, che tendono ad essere molto piccoli nel diametro del nucleo. Aumentando la potenza del laser, troppa luce si concentra nel nucleo della fibra, e le proprietà non lineari proliferano, causando l'allargamento o la modulazione del raggio laser.

"Quando provi a comprimere il raggio in un breve impulso, c'è un sacco di energia che non si adatta a quell'impulso, " spiega Marcante. "La potenza utile si diffonde, o non si concentra dove vuoi."

La seconda sfida è il surriscaldamento. "Stai pompando il raggio laser a un livello di energia, ad un'estremità, e quindi estraendolo a un livello energetico inferiore, d'altra parte, e nessun processo è termicamente efficiente al 100%. Quindi quell'energia extra finisce nella fibra. La fibra può diventare molto calda, fino al punto di sciogliersi, "dice Marciante.

Oltre alle ricerche svolte dal proprio team, Marcante farà leva su una rete di ricercatori veterani negli Stati Uniti e all'estero e porterà fornitori di terze parti con comprovate capacità di progettazione e produzione di fibre.

La ricerca di Marciante ha già prodotto i seguenti risultati:

• una fibra ottica proprietaria con un nucleo più grande con qualità del raggio laser superiori che è compatibile con laser in fibra a femtosecondi ultraveloci ad alta potenza
• un modo per ridurre notevolmente gli effetti delle non linearità nel nucleo della fibra proprietaria. "In linea di principio, se dimezzi la lunghezza della fibra, puoi arrivare al doppio dell'energia, " dice Marcante. "Il compromesso è, stai anche scaricando il calore nella metà dello spazio."

"È una sfida molto eccitante, "dice Marciante.

"Nessuno al mondo è stato in grado di eseguire questo tipo specifico di trattamento laser a femtosecondi delle superfici metalliche, " aggiunge. "Lanciare prodotti commerciali che utilizzano questa tecnologia sarà un vero punto di svolta. Questa è un'opportunità irripetibile per creare una nuova scienza".