Figura 1. Un materiale opaco che viene illuminato con un raggio laser (verde) i cui fronti d'onda sono modellati nello spazio. Parte della luce incidente sagomata è focalizzata sulla superficie posteriore del mezzo opaco, e parte della luce viene dispersa casualmente in uno sfondo diffuso circostante. Nanosfere fluorescenti isolate (punti rossi) servono a "segnalare" la densità di energia della luce verde attraverso l'intensità del rosso che viene raccolta nell'esperimento Twente. Credito:Università di Twente
Proprio come le persone allegre a una festa, i fotoni eseguono passeggiate casuali attraverso la vernice bianca; ma la loro densità è rimasta fuori controllo. Recentemente, gli scienziati dell'Università di Twente nei Paesi Bassi sono riusciti a controllare la densità di energia dei fotoni all'interno di materiali opachi come la vernice bianca.
Combinando nanosfere fluorescenti isolate all'interno della vernice bianca come "reporter" con la modellazione avanzata del fronte d'onda della luce incidente, i ricercatori osservano che la densità energetica dei fotoni nella vernice è notevolmente migliorata, in ottimo accordo con una nuova teoria.
I risultati trovano applicazioni nell'illuminazione, celle solari, ottica biomedica e laser random, e sono pubblicati a luglio sulla rivista ad alto impatto della Optical Society (OSA) ottica in un articolo intitolato "Densità di energia ottica risolta nello spazio 3-D potenziata dalla modellatura del fronte d'onda".
Quando un flusso costante di fotoni in un raggio laser brilla su un materiale opaco come la vernice bianca, polvere, neve, o tessuto biologico, le particelle disposte casualmente nel materiale disperdono i fotoni in modo casuale. All'interno del materiale, i fotoni eseguono una passeggiata casuale, simile a un allegro, leggermente ubriaco, persona che cerca di raggiungere l'altro lato della festa.
Quindi, solo pochi fotoni vengono trasmessi attraverso il materiale opaco, e la maggior parte della luce incidente viene riflessa. Questo è il motivo per cui la neve è bianca brillante:la maggior parte dei fotoni incidenti dal sole vengono riflessi.
I fotoni che eseguono passeggiate casuali all'interno della vernice bianca hanno una densità piuttosto bassa che diminuisce gradualmente da un massimo vicino alla superficie anteriore verso la superficie posteriore. Per ottenere una conversione energetica efficiente per applicazioni come l'illuminazione a stato solido, celle solari, ottica biomedica, e laser casuali, però, il maggior numero possibile di fotoni dovrebbe andare in posizioni mirate in profondità all'interno di un mezzo di diffusione, in altre parole:"quante persone allegre possibili dovrebbero radunarsi nel luogo della festa".
Figura 2. Miglioramento della fluorescenza differenziale sondato da nanosfere a diverse profondità z, mentre si modella il fronte d'onda incidente della luce per raggiungere un bersaglio focalizzato sulla superficie posteriore del campione (confrontare la Fig. 1). Il miglioramento aumenta con la profondità z, il che significa che i fotoni hanno una densità molto maggiore molto più in profondità all'interno della vernice bianca 3D. Credito:Università di Twente
Senza una conoscenza dettagliata della struttura tridimensionale (3D) altamente complessa della vernice bianca, sembra impossibile controllare la densità 3-D dei fotoni all'interno del materiale. Però, il team di Twente ha risolto con successo questo problema impiegando metodi avanzati recentemente sviluppati in cui il fronte d'onda della luce incidente è modellato spazialmente, vedere la figura 1.
Il metodo Twente si basa sulla consapevolezza che un mezzo di diffusione ha migliaia di canali di trasmissione. Sorprendentemente, canali altamente trasmissivi esistono tra tutti i canali. La luce viene selettivamente accoppiata a quei canali altamente trasmissivi quando viene effettuata una messa a fuoco ottimizzata sulla superficie posteriore della vernice modellando spazialmente il fronte d'onda della luce incidente.
Mentre la relazione input-output della luce può essere facilmente rilevata, la densità di energia ottica interna rimane sconosciuta. Il prof. Willem Vos spiega:"Popolarmente detto, sospettavamo già di poter convincere molte persone allegre (fotoni) a partecipare a una festa all'interno della vernice bianca. Ma non sapevamo ancora come fosse la festa, perché non puoi guardare dentro un materiale opaco. E non sapevamo nemmeno quante persone avrebbero potuto partecipare".
Per risolvere questo problema, il team di Twente utilizza nanosfere fluorescenti isolate disperse nella vernice bianca come particelle segnalanti. Il tridimensionale (x, si, z)-posizione di ciascuna nanoparticella è ottenuta attraverso il pattern di intensità fluorescente sulla superficie posteriore. Contemporaneamente, l'aumento della densità di energia viene rivelato mediante la scansione dell'aumento dell'intensità fluorescente totale.
Con una sola minuscola nanosfera alla volta, il team di Twente ha dovuto fare osservazioni faticosamente lunghe per raccogliere sufficiente fluorescenza. Finalmente, è stato osservato un forte miglioramento della densità di energia dipendente dalla posizione, che si trova in accordo molto bene con una teoria di nuova concezione. Il team è riuscito non solo a osservare il miglioramento dell'energia rispetto alla profondità, come mostrato nella Figura 2, ma anche rispetto alla posizione laterale.
Vos dice, "Questi risultati sono un'ottima notizia per molte applicazioni relative alla conversione dell'energia ottica in materiali opachi simili alla vernice bianca. Ora disponiamo di uno strumento per "smuovere" letteralmente la luce attraverso la vernice bianca per raggiungere i punti desiderati. Ad esempio, ora possiamo controllare il candore di un LED bianco, ottimizzando per la luce bianca calda o fredda. E questo è accolto con grande interesse dai nostri colleghi del settore dell'illuminazione".
