Da quando è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica per la ricerca sul grafene nel 2010, I materiali 2-D, i nanofogli con spessore atomico, sono stati un argomento scottante nella scienza. Questo notevole interesse è dovuto alle loro eccezionali proprietà, che hanno un enorme potenziale per un'ampia varietà di applicazioni. Ad esempio, combinato con fibre ottiche, I materiali 2-D possono consentire nuove applicazioni nei settori dei sensori, ottica non lineare, e tecnologie quantistiche.

Però, combinare queste due componenti è stato finora molto laborioso. Tipicamente, gli strati atomicamente sottili dovevano essere prodotti separatamente prima di essere trasferiti a mano sulla fibra ottica. Insieme ai colleghi australiani, I ricercatori di Jena sono ora riusciti per la prima volta a coltivare materiali 2-D direttamente su fibre ottiche. Questo approccio facilita notevolmente la produzione di tali ibridi. I risultati dello studio sono stati riportati di recente sulla rinomata rivista di scienza dei materiali Materiale avanzato .

Crescita attraverso una procedura tecnologicamente rilevante

"Abbiamo integrato i dicalcogenuri di metalli di transizione, un materiale 2-D con eccellenti proprietà ottiche e fotoniche, quale, Per esempio, interagisce fortemente con la luce, in fibre di vetro appositamente sviluppate, " spiega il Dr. Falk Eilenberger dell'Università di Jena e del Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering (IOF) in Germania. "A differenza del passato, non abbiamo applicato manualmente il foglio spesso mezzo nanometro, ma lo coltivava direttamente sulla fibra, "dice Eilenberger, specialista nel campo della nanofotonica. "Questo miglioramento significa che il materiale 2-D può essere integrato nella fibra più facilmente e su larga scala. Siamo stati anche in grado di dimostrare che la luce nella fibra di vetro interagisce fortemente con il suo rivestimento". Il passo verso un'applicazione pratica del nanomateriale intelligente così creato non è più lontano.

Il successo è stato raggiunto grazie ad un processo di crescita sviluppato presso l'Istituto di Chimica Fisica dell'Università di Jena, che supera gli ostacoli precedenti. "Analizzando e controllando i parametri di crescita, abbiamo identificato le condizioni alle quali il materiale 2-D può crescere direttamente nelle fibre, ", afferma il prof. Andrey Turchanin, esperto di materiali 2-D di Jena, spiegando il metodo basato sulle tecniche di deposizione chimica in fase di vapore (CVD). Tra l'altro, una temperatura di oltre 700 gradi Celsius è necessaria per la crescita del materiale 2-D.

Piattaforma materiale ibrida

Nonostante questa temperatura elevata, le fibre ottiche possono essere utilizzate per la crescita CVD diretta:"Il vetro di quarzo puro che funge da substrato resiste molto bene alle alte temperature. È resistente al calore fino a 2, 000 gradi Celsius, " afferma il prof. Markus A. Schmidt del Leibniz Institute of Photonic Technology, che ha sviluppato le fibre. "Il loro diametro ridotto e la flessibilità consentono una varietà di applicazioni, "aggiunge Schmidt, che detiene anche una cattedra di fibra ottica presso l'Università di Jena.

La combinazione di materiale 2-D e fibra di vetro ha quindi creato una piattaforma di materiali intelligente che combina il meglio di entrambi i mondi. "A causa della funzionalizzazione della fibra di vetro con il materiale 2-D, la lunghezza dell'interazione tra luce e materiale è stata ora notevolmente aumentata, "dice il dottor Antony George, che sta sviluppando il metodo di produzione per i nuovi materiali 2-D insieme a Turchanin.

Sensori e convertitori di luce non lineari

Il team prevede potenziali applicazioni per il sistema di materiali di nuova concezione in due aree particolari. in primo luogo, la combinazione di materiali è molto promettente per la tecnologia dei sensori. Potrebbe essere usato, Per esempio, to detect low concentrations of gasses. A tal fine, a green light sent through the fiber picks up information from the environment at the fiber areas functionalised with the 2-D material. As external influences change the fluorescent properties of the 2-D material, the light changes color and returns to a measuring device as red light. Since the fibers are very fine, sensors based on this technology might also be suitable for applications in biotechnology or medicine.

In secondo luogo, such a system could also be used as a non-linear light converter. Due to its non-linear properties, the hybrid optical fiber can be employed to convert a monochromatic laser light into white light for spectroscopy applications in biology and chemistry. The Jena researchers also envisage applications in the areas of quantum electronics and quantum communication.

Exceptional interdisciplinary cooperation

The scientists involved in this development emphasize that the success of the project was primarily due to the exceptional interdisciplinary cooperation between various research institutes in Jena. Based on the Thuringian research group "2-D-Sens" and the Collaborative Research Centre "Nonlinear Optics down to Atomic Scales" of Friedrich Schiller University, experts from the Institute of Applied Physics and Institute of Physical Chemistry of the University of Jena; the University's Abbe Center of Photonics; the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF; and the Leibniz Institute of Photonic Technology are collaborating on this research, together with colleagues in Australia.

"We have brought diverse expertise to this project and we are delighted with the results achieved, " says Eilenberger. "We are convinced that the technology we have developed will further strengthen the state of Thuringia as an industrial center with its focus on photonics and optoelectronics, " adds Turchanin. A patent application for the interdisciplinary team's invention has recently been filed.