Foam menawarkan cara untuk memanipulasi cahaya – Sains Terkini


Ada lebih banyak busa daripada memenuhi mata. Secara harfiah. Sebuah studi oleh para ilmuwan Princeton telah menunjukkan bahwa jenis busa yang telah lama dipelajari oleh para ilmuwan mampu memblokir panjang gelombang cahaya tertentu, properti yang didambakan untuk teknologi informasi generasi berikutnya yang menggunakan cahaya alih-alih listrik.

Para peneliti, yang memadukan keahlian dari ilmu material, kimia, dan fisika, melakukan simulasi komputasi lengkap dari sebuah struktur yang dikenal sebagai busa Weaire-Phelan. Mereka menemukan bahwa busa ini akan memungkinkan beberapa frekuensi cahaya untuk melintas sementara benar-benar memantulkan yang lain. Pemblokiran selektif ini, yang dikenal sebagai celah pita fotonik, mirip dengan perilaku semikonduktor, bahan dasar di balik semua elektronik modern karena kemampuannya untuk mengontrol aliran elektron pada skala yang sangat kecil.

"Ini memiliki properti yang kita inginkan: cermin omnidirectional untuk rentang frekuensi tertentu," kata Salvatore Torquato, profesor kimia dan Institut Sains dan Teknologi Bahan Princeton. Torquato, Profesor Ilmu Pengetahuan Alam Lewis Bernard, menerbitkan hasilnya pada 6 November di Prosiding Akademi Sains Nasional, dengan penulis bersama Michael Klatt, seorang peneliti pascadoktoral, dan fisikawan Paul Steinhardt, yang adalah Profesor Sains Albert Einstein di Princeton.

Sementara banyak contoh celah pita fotonik telah ditunjukkan sebelumnya dalam berbagai jenis kristal, para peneliti percaya bahwa temuan baru mereka adalah contoh pertama dalam busa, mirip dengan buih gelembung sabun atau bir draft. Berbeda dengan busa bir yang tidak teratur, busa Weaire-Phelan adalah pengaturan yang terstruktur dengan akar yang kuat dalam matematika dan fisika.

Asal usul busa Weaire-Phelan berasal dari tahun 1887 ketika fisikawan Skotlandia Lord Kelvin mengusulkan sebuah struktur untuk "eter," substansi misterius yang kemudian dianggap membentuk struktur latar belakang untuk semua ruang. Meskipun konsep eter sudah tidak disukai pada saat itu, busa yang diusulkan Kelvin berlanjut ke matematikawan penasaran selama seabad karena tampaknya merupakan cara yang paling efisien untuk mengisi ruang dengan bentuk-bentuk geometris yang saling terkait yang memiliki luas permukaan paling tidak mungkin. .

Pada tahun 1993, fisikawan Denis Weaire dan Robert Phelan menemukan pengaturan alternatif yang membutuhkan area permukaan yang sedikit lebih sedikit. Sejak itu, minat pada struktur Weaire-Phelan terutama dalam matematika, fisika dan komunitas artistik. Struktur itu digunakan sebagai dinding luar "Beijing Water Cube" yang dibuat untuk Olimpiade 2008. Temuan baru sekarang membuat struktur yang menarik bagi para ilmuwan bahan dan teknologi.

"Anda mulai dengan masalah klasik, indah dalam geometri, dalam matematika, dan sekarang tiba-tiba Anda memiliki materi ini yang membuka celah pita fotonik," kata Torquato.

Torquato, Klatt dan Steinhardt menjadi tertarik pada busa Weaire-Phelan sebagai garis singgung dari proyek lain di mana mereka sedang menyelidiki bahan-bahan tidak teratur "hyperuniform" sebagai cara inovatif untuk mengendalikan cahaya. Meskipun bukan fokus asli mereka, ketiganya menyadari bahwa busa yang terstruktur dengan tepat ini memiliki sifat yang menarik.

"Sedikit demi sedikit, menjadi jelas bahwa ada sesuatu yang menarik di sini," kata Torquato. "Dan akhirnya kita berkata, 'Oke, mari kita letakkan proyek utama di samping sebentar untuk mengejar ini.'"

"Selalu perhatikan apa yang ada di sisi riset," tambah Klatt.

Weaire, yang tidak terlibat dalam temuan baru ini, mengatakan bahwa penemuan Princeton adalah bagian dari minat yang meluas pada materi sejak ia dan Phelan menemukannya. Dia mengatakan kemungkinan penggunaan baru dalam optik kemungkinan berasal dari bahan yang sangat isotropik, atau tidak memiliki sifat terarah kuat.

"Fakta bahwa itu menampilkan celah pita fotonik sangat menarik karena ternyata memiliki begitu banyak sifat khusus," kata Andrew Kraynik, seorang pakar busa yang mendapatkan gelar Ph.D. dalam bidang teknik kimia dari Princeton pada tahun 1977 dan telah mempelajari busa Weaire-Phelan secara ekstensif tetapi tidak terlibat dalam penelitian Princeton. Koneksi Princeton lainnya, kata Kraynik, adalah bahwa alat kunci dalam menemukan dan menganalisis busa Weaire-Phelan adalah alat perangkat lunak yang disebut Surface Evolver, yang mengoptimalkan bentuk sesuai dengan sifat permukaannya dan ditulis oleh Ken Brakke, yang mendapatkan gelar Ph.D-nya. . dalam matematika di Princeton pada tahun 1975.

Untuk menunjukkan bahwa busa Weaire-Phelan memperlihatkan sifat-sifat pengontrol cahaya yang mereka cari, Klatt mengembangkan serangkaian perhitungan yang cermat yang ia lakukan pada fasilitas superkomputer dari Institut Princeton untuk Ilmu dan Teknik Komputasi.

"Program-program yang harus dia jalankan benar-benar intensif secara komputasi," kata Torquato.

Karya ini membuka banyak kemungkinan untuk penemuan lebih lanjut, kata para peneliti, yang menjuluki bidang kerja baru sebagai "phoamtonics" (sebuah gabungan dari "foam" dan "photonics"). Karena busa terjadi secara alami dan relatif mudah dibuat, salah satu tujuan yang mungkin adalah membujuk bahan mentah untuk mengatur diri sendiri ke dalam pengaturan tepat busa Weaire-Phelan, kata Torquato.

Dengan pengembangan lebih lanjut, busa dapat mengangkut dan memanipulasi cahaya yang digunakan dalam telekomunikasi. Saat ini banyak data yang melintasi internet dilakukan oleh serat kaca. Namun, di tujuannya, lampu diubah kembali menjadi listrik. Bahan celah pita fotonik dapat memandu cahaya lebih tepat daripada kabel serat optik konvensional dan dapat berfungsi sebagai transistor optik yang melakukan perhitungan menggunakan cahaya.

"Siapa tahu?" kata Torquato. "Setelah Anda memiliki ini sebagai hasilnya, maka itu memberikan tantangan eksperimental untuk masa depan."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.