Ученые создали простой материал для светофильтра с регулируемой длиной волны пропускания

Одна из задач, часто встречающихся в самых разных областях технологии — и в быту, и в науке, — пропустить сквозь какое-либо устройство электромагнитное излучение некоторых длин волн и частот, но не пропустить все остальное. Проще говоря, сделать фильтр электромагнитного излучения, к которым относятся и светофильтры для фотоаппарата, и контуры настройки в радиоприемнике. Важнейшей характеристикой фильтра является его полоса – диапазон длин волн, который он пропускает или поглощает.

Светопропускание материала Seedgel при разных температурах. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0

Фильтры для радиоволн обычно пропускают именно тот диапазон длин волн, который и нужен. Вдобавок их нетрудно делать настраиваемыми: радиоволновые фильтры состоят из электронных компонентов, параметры которых можно регулировать.

В более коротковолновых диапазонах электромагнитного излучения, таких как видимый свет, изготовить настраиваемый фильтр гораздо сложнее. Электронные компоненты на таких частотах не работают. В простых светофильтрах используют красители, но они обладают фиксированными полосами поглощения. Ширина и положение этих полос определяются структурой их молекул, а в молекулах, как правило, нельзя так просто взять и что-нибудь настроить.

Поскольку набор полос поглощения красителей ограничен и фиксирован, регулируемые оптические фильтры делают на основе явления интерференции и других физических явлений, и это довольно сложные приборы.

Команда ученых из Национального института стандартов и технологий (США) во главе с Юинем Си (Yuyin Xi) создала материал для перестраиваемого оптического фильтра, положение полосы пропускания которого можно регулировать простым нагревом и охлаждением. О своей разработке они доложили в журнале Nature.

Это открытие стало в некоторой мере случайным. Авторы работы исследовали свойства материала SeedGel, который подобен силикагелю и может применяться в аккумуляторах, фильтрах для воды, создании искусственных биологических тканей и многих других технологиях.

Рецепт этого чудо-материала достаточно прост. В нем есть три компонента: органический растворитель 2,6-лутидин (диметилпиридин), вода и сферические наночастицы диоксида кремния (кремнезёма) диаметром 27 нанометров.

Первая часть необычных свойств материала SeedGel заключается в том, что он твердеет при повышении температуры. При температуре ниже плюс 26 градусов Цельсия лутидин смешивается с водой, а при нагреве растворимость падает, и жидкость разделяется на два слоя, или две фазы — раствор лутидина в воде и раствор воды в лутидине. Химикам известно много систем, ведущих себя подобным образом, но здесь компоненты подобраны так, чтобы наночастицы стремились оказаться в одной из двух фаз — в водной.

До расслоения частицы равномерно распределены в жидкости, образуя прозрачный коллоидный раствор. Расслоение заставляет их «столпиться» в объеме водной фазы — вдвое меньшем, чем прежде. Частицы приходят в контакт друг с другом и сцепляются, фиксируя участки водной фазы в момент их образования и не давая им слиться друг с другом. В результате образуется твердая структура, в которой водная и органическая фазы чередуются на микроскопическом масштабе.

Структура материала SeedGel. Синим цветом показана водная фаза, желтым – органическая, а серым – кремнеземные наносферы. Размеры изображенных областей уменьшаются слева направо и составляют около 25 микрометров слева, 0,3 мкм посередине и 0,08 мкм справа. Молекулы показаны не в масштабе, они меньше наносфер в десятки раз. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0

Отметим особо, что размер частиц кремнезёма (27 нанометров) намного меньше длины волны видимого света (400 — 760 нанометров), и для него они с водой составляют единое целое. А размер участков фаз достигает трех-четырех микрометров, поэтому свет их «замечает» и сильно рассеивается, многократно проходя через их границы.

Вода, кремнезём и лутидин бесцветны, так что же придает гелю окраску? Оказывается, все дело в показателях преломления и дисперсии — их зависимости от длины волны, благодаря которой вещества преломляют синий свет сильнее, чем красный. В растворах показатель преломления зависит от состава, а в расслоенных жидкостях состав каждого слоя сильно зависит от температуры, подобно тому, как меняется растворимость солей в воде.

У лутидина и кремнезема показатель преломления высокий, а у воды — низкий.

При нагреве в органической фазе становится больше лутидина и меньше воды, показатель ее преломления растет. В водно-кремнеземной фазе, наоборот, концентрация лутидина с нагревом падает, а вместе с ней — показатель преломления. При определенной температуре они становятся равными друг другу, и рассеяние исчезает, ведь отклонение света на границе фаз происходит только при отличии коэффициентов преломления.

Зависимость показателя преломления (Refractive Index) от длины волны (Wavelength) в водной фазе (синие кривые) и органической фазе (желтые кривые). Низкой температуре соответствуют сплошные, а высокой – пунктирные линии. При повышении температуры желтые кривые сдвигаются вверх, а синие вниз (указано черными стрелками). Точка пересечения при этом смещается слева направо, то есть в сторону красного света. / © https://www.nature.com/articles/s41467-022-31020-0

И это обнуление происходит только на определенной длине волны, поскольку зависимости показателя преломления от длины волны у двух фаз тоже различаются. На одном краю спектра лутидиновая фаза преломляет свет чуть слабее, чем водно-кремнеземная, на другом — чуть сильнее, а посередине достигается равенство. При разных температурах точка пересечения оказывается на разных длинах волн.

Зависимость пропускаемых длин волны от температуры получилась очень сильной. При плюс 27,1 градуса материал пропускал синий свет, а при 27,7 градуса — уже зеленый. Ширина полосы пропускания в опытных образцах тоже была далека от идеала и составляла десятки нанометров. Но одно дело открытие, а другое дело — практическое применение: даже в таких простых случаях второе следует за первым далеко не сразу. Поиск оптимального материала и конструкции светофильтра, который меняет цвет от нагрева, еще впереди.