I ricercatori del National Graphene Institute dell'Università di Manchester hanno creato dispositivi ottici con una gamma unica di accordabilità, coprendo l'intero spettro elettromagnetico, compresa la luce visibile.

Un articolo pubblicato su Fotonica della natura delinea le applicazioni per questa gamma di tecnologie di "superfici intelligenti", dai dispositivi di visualizzazione di nuova generazione alle coperte termiche dinamiche per i satelliti e al camuffamento adattivo multispettrale.

La sintonizzabilità dei dispositivi è ottenuta mediante un processo noto come elettro-intercalazione, che in questo caso prevede l'interposizione di ioni di litio tra fogli di grafene multistrato (MLG), offrendo il controllo su elettrico, proprietà termiche e magnetiche.

Il dispositivo MLG è laminato e sigillato sottovuoto in un sacchetto di polietilene a bassa densità che ha una trasparenza ottica superiore al 90% dalla luce visibile alle radiazioni a microonde.

La carica diventa grigia in oro

Durante la carica (intercalazione) o la scarica (de-intercalazione), le proprietà elettriche e ottiche di MLG cambiano drasticamente. Il dispositivo scaricato appare grigio scuro a causa dell'elevata assorbenza (> 80%) dello strato superiore di grafene nel regime visibile. Quando il dispositivo è completamente carico (a ~3,8 V), lo strato di grafene appare di colore oro. Lo spazio colore ottenibile può essere arricchito per includere una gamma dal rosso al blu utilizzando effetti ottici come l'interferenza del film sottile.

Professor Coskun Kocabas, autore principale dello studio, ha dichiarato:"Abbiamo fabbricato una nuova classe di dispositivi ottici multispettrali con una capacità di cambio colore precedentemente irraggiungibile unendo la tecnologia del grafene e della batteria.

"La riuscita dimostrazione di superfici ottiche intelligenti a base di grafene consente potenziali progressi in molti campi scientifici e ingegneristici".

Per esempio, una coperta termica dinamica potrebbe riflettere selettivamente la luce visibile o infrarossa e consentire a un satellite di riflettere la radiazione dal lato rivolto verso il sole, mentre emette radiazioni dalle sue facce ombreggiate. Allo stesso modo, quando all'ombra della Terra, quella coperta può isolare il satellite dal raffreddamento dello spazio profondo [vedi figura sotto]. Queste azioni regolerebbero le temperature interne in modo molto più efficace di un rivestimento termico statico.

Precedenti studi hanno esaminato dispositivi a specifiche lunghezze d'onda delle microonde, terahertz, infrarossi e visibile, utilizzando grafene singolo e multistrato. Ma è stata la sfida di estendere la copertura alla luce visibile mantenendo l'attività ottica a lunghezze d'onda più lunghe che ha richiesto l'innovazione nella struttura del dispositivo, superamento di difficoltà consolidate nell'integrazione di dispositivi ottici con celle elettrochimiche.

"Qui abbiamo usato una batteria agli ioni di litio a base di grafene come dispositivo ottico, " ha aggiunto. "Controllando la densità elettronica del grafene, ora siamo in grado di controllare la luce dalle lunghezze d'onda visibili a quelle delle microonde sullo stesso dispositivo."

Il professore premio Nobel Sir Kostya Novoselov è stato un coautore dell'articolo e ha dichiarato:"Il grafene a pochi strati offre un controllo senza precedenti sulle sue proprietà ottiche attraverso la ricarica. Tali dispositivi possono trovare le loro applicazioni in molte aree:dall'ottica adattiva alla gestione termica".