En collaboration avec des physiciens de l'Université de Rome, une équipe dirigée par le professeur Cordt Zollfrank de l'Université technique de Munich (TUM) a construit le premier laser aléatoire contrôlable à base de papier cellulosique à Straubing. L'équipe a ainsi montré comment les structures naturelles peuvent être adaptées pour des applications techniques. D'où, les matériaux n'ont plus besoin d'être artificiellement dotés de structures désordonnées, en utilisant plutôt des produits naturels.

La synthèse de matériaux inspirée de la biologie est un domaine de recherche de la chaire de polymères biogéniques TUM du Straubing Center of Science. Il utilise des modèles de la nature et des matériaux biogéniques pour développer de nouveaux matériaux et technologies. Le dernier numéro de la publication Matériaux optiques avancés présente une étude de base réalisée par une équipe conjointe de Straubing et de Rome qui a réussi à "utiliser une structure biologique comme modèle pour un laser aléatoire technique, " selon le scientifique Dr Daniel Van Opdenbosch.

Deux composants sont nécessaires pour un laser :Tout d'abord, un médium qui amplifie la lumière. Et deuxièmement, une structure qui retient la lumière dans le milieu. Un laser classique utilise des miroirs pour ordonner et faire briller la lumière dans une seule direction dans une cible, mode uniforme. Cela se produit également de manière uniforme dans la structure microscopique d'un laser aléatoire, mais dans des directions différentes. Bien que le développement du laser aléatoire en soit encore à ses balbutiements, à l'avenir, cela pourrait se traduire par une production à moindre coût. En effet, les lasers aléatoires ont l'avantage d'être indépendants de la direction et de fonctionner avec plusieurs couleurs, pour ne citer que quelques avantages.

La structure désordonnée dévie la lumière dans toutes les directions

"La condition préalable à un laser aléatoire est un degré défini de chaos structurel à l'intérieur, " a expliqué Van Opdenbosch. La lumière dans un laser aléatoire est donc diffusée à tous les angles le long de chemins aléatoires, qui sont déterminés par une structure irrégulière à l'intérieur du milieu. L'équipe dirigée par le professeur Zollfrank de la chaire des polymères biogéniques de Straubing a utilisé du papier filtre de laboratoire conventionnel comme modèle structurel. "En raison de ses longues fibres et de la structure stable qui en résulte, nous l'avons jugé approprié à cet effet, " a déclaré Van Opdenbosch.

Dans le laboratoire, le papier était imprégné d'orthotitanate de tétraéthyle, un composé organométallique. Lorsqu'il est séché et que la cellulose est brûlée à 500 degrés Celsius, il laisse derrière lui le dioxyde de titane céramique comme résidu, la même substance généralement utilisée dans la crème solaire pour se protéger du soleil. "Cet effet de la crème solaire est basé sur le fort effet de diffusion de la lumière du dioxyde de titane, " a déclaré Van Opdenbosch, "que nous avons également utilisé pour notre laser aléatoire." Et "notre laser est 'aléatoire' car la lumière qui est diffusée dans différentes directions en raison de la structure biogénique du papier filtre de laboratoire peut également être diffusée dans la direction opposée, " il ajouta, expliquer le principe.

Laser aléatoire pas si aléatoire après tout

Cependant, les ondes lumineuses peuvent toujours être contrôlées malgré leur caractère aléatoire, comme l'a découvert l'équipe dirigée par Claudio Conti de l'Institut des systèmes complexes de Rome, avec qui Daniel Van Opdenbosch et Cordt Zollfrank ont ​​collaboré. A l'aide d'un spectromètre, ils ont pu différencier les différentes longueurs d'onde laser générées dans le matériau et les localiser séparément les unes des autres.

Van Opdenbosch a décrit la procédure :« La configuration de test utilisée pour cartographier les échantillons consistait en un laser vert dont l'énergie pouvait être ajustée, lentilles de microscope, et une table mobile qui permettait de faire passer l'échantillon. De cette façon, nos collègues ont pu déterminer qu'à différents niveaux d'énergie, différentes zones du matériau émettent des ondes laser différentes. » À la lumière de cette analyse, il est possible de configurer le laser de plusieurs manières et de déterminer la direction et l'intensité de son rayonnement.

Cette connaissance met des applications pratiques potentielles à portée de main. « De tels matériaux pourraient, par exemple, être utiles comme micro-interrupteurs ou détecteurs de changements structurels, " a déclaré Van Opdenbosch.