Les laboratoires de recherche développent en permanence de nouveaux matériaux qui devraient présenter des propriétés inédites destinées à révolutionner telle ou telle technologie. Mais il ne suffit pas de simplement créer ces matériaux; les scientifiques doivent également trouver des méthodes efficaces pour les traiter et les affiner. De plus, les composites sont souvent fabriqués par ajout de nanoparticules dans une matrice de base, c'est pourquoi il faut trouver un moyen de manipuler l'emplacement, Taille, et le taux de concentration de ces particules qui exclurait même les plus petits écarts invisibles à l'œil humain.

Des chercheurs de l'Université ITMO ont amélioré la technique de traitement local des composites à base de verre nanoporeux avec ajout d'argent et de cuivre. Maintenant, il est possible de prédire avec une grande précision les propriétés optiques d'un composant plasmonique lors de son traitement. Cette recherche a été publiée dans Nanomatériaux .

Depuis des millénaires, l'humanité a dû s'adapter aux matériaux dont elle disposait :métaux, bois, calcul, minéraux, etc. Aujourd'hui, les humains ont appris à adapter les matériaux dont ils disposent à leurs propres besoins, créer des matériaux composites à partir de plusieurs composants. Ces matériaux ont de nouvelles propriétés et ouvrent de nouvelles opportunités. Ils ont un grand potentiel pour une utilisation dans des dispositifs optiques tels que les lasers, lidar, capteurs, lentilles, guides d'ondes, et d'autres appareils qui traitent les signaux lumineux. En particulier, les chercheurs fondent de grands espoirs sur le verre enrichi de nanoparticules métalliques.

"De tels matériaux peuvent être utilisés comme filtres optiques, " explique Pavel Varlamov, ingénieur de recherche à la Faculté de Photonique Laser et Optoélectronique. "Lumière blanche, comme nous le savons, se compose d'un grand nombre de longueurs d'onde et vous devrez peut-être, par exemple, mettre en évidence ou exclure une certaine bande de spectre, comme le bleu ou le jaune. C'est à ça que servent les filtres optiques, et ils peuvent être utilisés dans les lasers, réfracteurs, lentilles, ou guides d'ondes."

Selon les ions métalliques ajoutés au verre, le composite résultant peut être utilisé pour manipuler diverses parties du spectre. Par exemple, si vous deviez ajouter des nanoparticules d'argent et de cuivre dans du verre, il absorberait le rayonnement dans la bande bleu-vert. Mais en ajoutant des nanoparticules d'argent et de cuivre dans du verre ordinaire, telles que celles utilisées pour fabriquer des fenêtres ou des ustensiles de cuisine, serait un processus complexe et coûteux impliquant de nombreuses réactions chimiques. C'est pourquoi les scientifiques préfèrent utiliser du verre nanoporeux spécial à ces fins.

Une fois les nanoparticules « insérées » dans les pores, le matériau est altéré par rayonnement laser afin de l'enrichir de nouvelles propriétés optiques qui permettent, par exemple, pour contrôler avec précision le spectre lumineux en transmettant ou en absorbant des faisceaux lumineux d'une bande spécifique.

Mais il y a un problème :lors du traitement destiné à "coller" les composants d'un nouveau matériau, les nanoparticules métalliques changent de forme et même de composition chimique. Tout au long du processus, le matériau modifie la façon dont il interagit avec le rayonnement laser ; essentiellement, il commence à mieux absorber le rayonnement dans une bande spécifique du spectre. Cela présente plusieurs défis pour le processus de traitement. Un laser ne peut pas être simplement réglé sur des valeurs spécifiques puis utilisé pour traiter le matériau du début à la fin; il doit être continuellement ajusté aux changements qui se produisent dans le matériau.

« La méthode que nous avons proposée permet de créer des éléments volumineux à micro-échelle avec un pic de résonance plasmonique contrôlable en temps réel, " dit Roman Zakoldaev, chercheur à la Faculté de photonique laser et optoélectronique. "La méthode vise à optimiser les paramètres de modification laser par rétroaction."

Afin d'ajuster les performances du laser tout au long du traitement, les scientifiques doivent effectuer instantanément des calculs complexes des changements qui se sont déjà produits et des changements qui devraient être apportés aux paramètres du laser. Pour ça, ils ont besoin d'un modèle physico-mathématique flexible; un tel modèle est devenu la base d'un algorithme destiné à gérer le traitement de ces matériaux.

Les chercheurs de l'Université ITMO ont suggéré un modèle mathématique qui prendrait en compte la force du rayonnement et les changements qu'il provoque dans le matériau. Cela permet aux chercheurs de produire des matériaux avec les propriétés optiques exactes qui ont été initialement prises en compte dans les calculs.

« Nous avons pu proposer un algorithme de calcul qui présente la structure électronique, Taille, et concentration de nanoparticules avec les propriétés optiques du matériau en tant qu'environnement efficace (?), " explique Maksim Sergeev. " L'utilisation de l'algorithme avec un modèle de croissance de particules contrôlée par diffusion nous a permis de suivre les changements optiques dans le traitement au laser en temps réel. "

La méthode suggérée rendrait la création de composants plasmoniques optiques uniques bon marché et facile à manipuler, ouvrant de nouvelles opportunités pour leur intégration dans la production industrielle.