C'è di più nella schiuma di quanto sembri. Letteralmente. Uno studio degli scienziati di Princeton ha dimostrato che un tipo di schiuma a lungo studiato dagli scienziati è in grado di bloccare particolari lunghezze d'onda della luce, una proprietà ambita per la tecnologia dell'informazione di nuova generazione che utilizza la luce invece dell'elettricità.

I ricercatori, integrando le competenze della scienza dei materiali, chimica e fisica, ha condotto simulazioni computazionali esaurienti di una struttura nota come schiuma Weaire-Phelan. Hanno scoperto che questa schiuma avrebbe permesso ad alcune frequenze di luce di passare mentre rifletteva completamente altre. Questo blocco selettivo, noto come gap di banda fotonico, è simile al comportamento di un semiconduttore, il materiale di base dietro tutta l'elettronica moderna a causa della sua capacità di controllare il flusso di elettroni su scale estremamente piccole.

"Questo ha la proprietà che vogliamo:uno specchio omnidirezionale per una certa gamma di frequenze, " ha detto Salvatore Torquato, professore di chimica e il Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Torquato, il professore di scienze naturali Lewis Bernard, ha pubblicato i risultati il ​​6 novembre nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , con i coautori Michael Klatt, un ricercatore post-dottorato, e il fisico Paul Steinhardt, chi è Albert Einstein Professor in Science di Princeton.

Mentre numerosi esempi di band gap fotonici sono stati mostrati in precedenza in vari tipi di cristalli, i ricercatori ritengono che la loro nuova scoperta sia il primo esempio in una schiuma, simile alla schiuma delle bolle di sapone o di una birra alla spina. A differenza della schiuma disordinata della birra però, la schiuma Weaire-Phelan è una disposizione strutturata con precisione con profonde radici nella matematica e nella fisica.

Le origini della schiuma Weaire-Phelan risalgono al 1887 quando il fisico scozzese Lord Kelvin propose una struttura per "l'etere, " la misteriosa sostanza che si pensava allora costituisse una struttura di fondo per tutto lo spazio. Sebbene il concetto di etere stesse già cadendo in disgrazia in quel momento, La schiuma proposta da Kelvin ha incuriosito i matematici per un secolo perché sembrava essere il modo più efficiente per riempire lo spazio con forme geometriche ad incastro che hanno la minor superficie possibile.

Nel 1993, i fisici Denis Weaire e Robert Phelan hanno trovato una disposizione alternativa che richiede una superficie leggermente inferiore. Da allora, l'interesse per la struttura Weaire-Phelan era principalmente nella matematica, fisica e comunità artistiche. La struttura è stata utilizzata come parete esterna del "Beijing Water Cube" creato per le Olimpiadi del 2008. La nuova scoperta ora rende la struttura interessante per scienziati e tecnologi dei materiali.

"Si comincia con un classico, bel problema di geometria, in matematica, e ora all'improvviso hai questo materiale che apre una banda proibita fotonica, " Disse Torquato.

Torquato, Klatt e Steinhardt si interessarono alla schiuma Weaire-Phelan come tangente di un altro progetto in cui stavano studiando materiali disordinati "iperuniformi" come un modo innovativo per controllare la luce. Sebbene non siano il loro obiettivo originale, i tre si resero conto che questa schiuma strutturata con precisione aveva proprietà intriganti.

"Poco per volta, è diventato evidente che c'era qualcosa di interessante qui, " disse Torquato. "E alla fine dicemmo, "Ok, mettiamo da parte il progetto principale per un po' per perseguire questo.""

"Cerca sempre cosa c'è al margine della ricerca, " ha aggiunto Klat.

noioso, che non era coinvolto in questa nuova scoperta, ha detto che la scoperta di Princeton fa parte di un crescente interesse per il materiale da quando lui e Phelan l'hanno scoperto. Ha detto che il possibile nuovo uso nell'ottica deriva probabilmente dal fatto che il materiale è molto isotropo, o non avere proprietà fortemente direzionali.

"Il fatto che mostri un gap di banda fotonico è molto interessante perché risulta avere così tante proprietà speciali, " ha detto Andrew Kraynik, un esperto di schiume che ha conseguito il dottorato di ricerca. in ingegneria chimica a Princeton nel 1977 e ha studiato a fondo la schiuma Weaire-Phelan, ma non è stato coinvolto nello studio di Princeton. Un altro collegamento con Princeton, disse Kraynik, è che uno strumento chiave per scoprire e analizzare la schiuma Weaire-Phelan è uno strumento software chiamato Surface Evolver, che ottimizza le forme in base alle loro proprietà superficiali ed è stato scritto da Ken Brakke, che ha conseguito il dottorato di ricerca in matematica a Princeton nel 1975.

Per dimostrare che la schiuma Weaire-Phelan mostrava le proprietà di controllo della luce che stavano cercando, Klatt ha sviluppato una serie meticolosa di calcoli che ha eseguito sulle strutture di supercalcolo del Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

"I programmi che ha dovuto eseguire sono molto impegnativi dal punto di vista computazionale, " Disse Torquato.

L'opera apre numerose possibilità per ulteriori invenzioni, hanno detto i ricercatori, che ha soprannominato la nuova area di lavoro come "phoamtonics" (un mashup di "schiuma" e "fotonica"). Poiché le schiume si trovano in natura e sono relativamente facili da realizzare, un possibile obiettivo sarebbe convincere le materie prime ad auto-organizzarsi nella disposizione precisa della schiuma Weaire-Phelan, disse Torquato.

Con ulteriore sviluppo, la schiuma potrebbe trasportare e manipolare la luce utilizzata nelle telecomunicazioni. Attualmente gran parte dei dati che attraversano Internet sono trasportati da fibre di vetro. Però, a destinazione, la luce viene riconvertita in elettricità. I materiali a banda proibita fotonici potrebbero guidare la luce in modo molto più preciso rispetto ai cavi in ​​fibra ottica convenzionali e potrebbero fungere da transistor ottici che eseguono calcoli utilizzando la luce.

"Chi lo sa?" disse Torquato. "Una volta ottenuto questo come risultato, quindi fornisce sfide sperimentali per il futuro."