Управляемые оптические наноструктуры — совсем новая, но перспективная область в нанофотонике. Исследователи уже научились создавать управляемые наноматериалы на основе кремния, но сделать металлические частицы, которые могли бы обратимо изменять свою форму, пока не удавалось. Дело в том, что металлы очень непластичны — их внутренняя структура необратимо деформируется при нагревании.
Ученые ИТМО смогли решить эту проблему, изменив состав металлических частиц и саму их структуру. Основой технологии стала работа Александры Фальчевской по исследованию жидких металлов и их использованию для создания гибридных материалов. В коллаборации с российско-французской лабораторией Нового физтеха (руководитель ― старший научный сотрудник физического факультета Валентин Миличко) для этих наработок было найдено практическое применение в оптике, также ученые обнаружили, что их потенциально можно использовать для создания оптических устройств нового поколения.
«Мы и мои коллеги разработали простую методологию получения полых нано- и микрокапсул из жидких металлов различного состава. Проект с Новым физтехом был инициирован, чтобы посмотреть взаимодействие этих капсул с фемтосекундным лазерным излучением. Изначально выдвигалась такая гипотеза: раз это сплавы жидких металлов, то, регулируя их температуру плавления, можно регулировать их оптический отклик за счет механической деформации самих капсул. И если эти капсулы можно обратимо деформировать за счет лазерного излучения, это стало бы новым материалом в оптике наноматериалов», — рассказывает Александра Фальчевская, первый автор работы, аспирантка Химико-биологического кластера.
Слева: процесс формирования микрокапсул галлия.
Справа: взаимодействие микрокапсул галлия, микрокапсул галлия с примесью никеля и микрокапсул галлия с примесью меди с фемтосекундным лазерным излучением. Иллюстрации из статьи в Physical Chemistry Letters / pubs.acs.org
Частицы сделаны из галлия и его сплавов — ведь у галлия одна из самых низких температур плавления среди всех металлов (всего 30 градусов Цельсия). Если нагревать его при обычных условиях, он очень быстро начинает плавиться. Но если воздействовать на сферические частицы галлия фемтосекундным лазером в течение ультракороткого периода, то произошедшие в нем деформации становятся обратимыми: после прекращения воздействия лазером частицы из изогнутой формы возвращаются в сферическую.
Плюс к этому, к галлию добавляются другие металлы — они регулируют температуру плавления частиц и позволяют варьировать их гибкость. Важна и внутренняя структура частиц: в серии экспериментов участвовали как полые, так и цельные микрокапсулы — на последних эффект оказался выражен не так ярко. Чтобы установить оптимальный состав и внутреннюю структуру, ученые собрали целую библиотеку разных вариантов частиц — и все они были проверены в серии экспериментов.
«Мы брали неполые частицы галлия как референсный образец. На них такого хорошего эффекта не выходило. Лучше всего сработали именно полые частицы из галлия с примесью никеля — у них оптимальное сочетание температуры плавления и гибкости, что позволяет им выгибаться туда-обратно. А вот, например, с той же медью результата не получилось — частицы оказались тонкостенными и твердыми, и под воздействием стимула они, скорее, ломались, чем изгибались», — объясняет Александра Фальчевская.
(А) Неполые частицы галлия, (B) микрокапсулы галлия, (C) микрокапсулы галлия с примесью меди и (D) микрокапсулы галлия с примесью никеля. Иллюстрация из статьи в Physical Chemistry Letters / pubs.acs.org
Как подчеркивают авторы работы, несмотря на то, что область управляемых материалов активно изучается и уже найдено множество химических и физических подходов к их созданию, именно на металлических структурах обратимое воздействие еще не было показано.
«Новизна работы в том, что мы, используя фемтосекундное лазерное излучение, смогли немного “подогреть” частицу, за счет чего изменилась и ее форма. А если меняется форма частицы, то меняются ее оптические свойства. Этот эффект можно применять в сенсорике и в устройствах управления светом на микро- и наномасштабе. Мы успешно это продемонстрировали экспериментально на частицах с определенным сплавом и подтвердили теоретическим расчетом, который был блестяще выполнен аспирантом физического факультета Семеном Бачининым», — заключает Никита Кулаченков, младший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО.
Статья: Aleksandra S. Falchevskaya, Nikita K. Kulachenkov, Semyon V. Bachinin, Valentin A. Milichko and Vladimir V. Vinogradov, «Single Particle Color Switching by Laser-Induced Deformation of Liquid Metal-derived Microcapsules», J. Phys. Chem. Lett. 2021.
