Dans une combinaison de physique et de science des matériaux, Les chercheurs de Princeton ont découvert qu'un type de mousse peut bloquer sélectivement la lumière, ce qui est important pour les appareils de nouvelle génération qui calculent avec la lumière au lieu de l'électricité. Un modèle informatique de la mousse, dessus, montre la densité d'énergie de la lumière lorsqu'elle traverse la mousse. Crédit :Université de Princeton
Il y a plus à mousser qu'il n'y paraît. Littéralement. Une étude menée par des scientifiques de Princeton a montré qu'un type de mousse longtemps étudié par les scientifiques est capable de bloquer des longueurs d'onde particulières de la lumière, une propriété convoitée pour la technologie de l'information de nouvelle génération qui utilise la lumière au lieu de l'électricité.
Les chercheurs, intégrant l'expertise de la science des matériaux, chimie et physique, effectué des simulations informatiques exhaustives d'une structure connue sous le nom de mousse Weaire-Phelan. Ils ont découvert que cette mousse permettrait à certaines fréquences de lumière de passer tout en reflétant complètement les autres. Ce blocage sélectif, connu sous le nom de bande interdite photonique, est similaire au comportement d'un semi-conducteur, le matériau de base derrière toute l'électronique moderne en raison de sa capacité à contrôler le flux d'électrons à des échelles extrêmement petites.
"Ceci a la propriété que nous voulons :un miroir omnidirectionnel pour une certaine gamme de fréquences, " dit Salvatore Torquato, professeur de chimie et du Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Torquato, le professeur Lewis Bernard de sciences naturelles, a publié les résultats le 6 novembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , avec les coauteurs Michael Klatt, un chercheur postdoctoral, et le physicien Paul Steinhardt, qui est le professeur Albert Einstein de Princeton en sciences.
Alors que de nombreux exemples de bandes interdites photoniques ont été montrés précédemment dans divers types de cristaux, les chercheurs pensent que leur nouvelle découverte est le premier exemple dans une mousse, semblable à la mousse de bulles de savon ou d'une bière pression. Contrairement à la mousse désordonnée de la bière cependant, la mousse Weaire-Phelan est un arrangement structuré avec précision avec des racines profondes dans les mathématiques et la physique.
Les origines de la mousse Weaire-Phelan remontent à 1887 lorsque le physicien écossais Lord Kelvin proposa une structure pour « l'éther, " la substance mystérieuse que l'on croyait alors constituer une structure de fond à tout l'espace. Bien que le concept de l'éther tombait déjà en disgrâce à l'époque, La mousse proposée par Kelvin a intrigué les mathématiciens pendant un siècle, car elle semblait être le moyen le plus efficace de remplir l'espace avec des formes géométriques imbriquées qui ont le moins de surface possible.
En 1993, les physiciens Denis Weaire et Robert Phelan ont trouvé un arrangement alternatif qui nécessite un peu moins de surface. Depuis, l'intérêt pour la structure de Weaire-Phelan était principalement dans les mathématiques, communautés physiques et artistiques. La structure a été utilisée comme mur extérieur du "Beijing Water Cube" créé pour les Jeux olympiques de 2008. La nouvelle découverte rend maintenant la structure intéressante pour les scientifiques et les technologues des matériaux.
« Vous commencez par un classique, beau problème de géométrie, en mathématiques, et maintenant, soudain, vous avez ce matériau qui ouvre une bande interdite photonique, " dit Torquato.
Torquato, Klatt et Steinhardt se sont intéressés à la mousse Weaire-Phelan en tant que tangente d'un autre projet dans lequel ils étudiaient les matériaux désordonnés "hyperuniformes" comme moyen innovant de contrôler la lumière. Bien qu'il ne s'agisse pas de leur objectif initial, les trois se sont rendu compte que cette mousse structurée avec précision avait des propriétés intrigantes.
"Petit à petit, il est devenu évident qu'il y avait quelque chose d'intéressant ici, " dit Torquato. " Et finalement nous avons dit, "D'accord, laissons le projet principal de côté pendant un moment pour poursuivre cela. ""
« Soyez toujours à l'affût de ce qui est au bord de la recherche, " ajouta Klatt.
Weaire, qui n'était pas impliqué dans cette nouvelle découverte, a déclaré que la découverte de Princeton fait partie d'un intérêt croissant pour le matériau depuis que lui et Phelan l'ont découvert. Il a déclaré que la nouvelle utilisation possible en optique découle probablement du fait que le matériau est très isotrope, ou n'ayant pas de propriétés fortement directionnelles.
"Le fait qu'il affiche une bande interdite photonique est très intéressant car il s'avère qu'il a tellement de propriétés particulières, " a déclaré Andrew Kraynik, un expert en mousses qui a obtenu son doctorat. en génie chimique de Princeton en 1977 et a étudié de manière approfondie la mousse Weaire-Phelan mais n'a pas été impliqué dans l'étude de Princeton. Une autre connexion Princeton, dit Kraynik, est qu'un outil clé dans la découverte et l'analyse de la mousse Weaire-Phelan est un outil logiciel appelé Surface Evolver, qui optimise les formes en fonction de leurs propriétés de surface et a été écrit par Ken Brakke, qui a obtenu son doctorat. en mathématiques à Princeton en 1975.
Pour montrer que la mousse Weaire-Phelan présentait les propriétés de contrôle de la lumière qu'ils recherchaient, Klatt a développé un ensemble méticuleux de calculs qu'il a exécutés sur les installations de supercalcul du Princeton Institute for Computational Science and Engineering.
"Les programmes qu'il a dû exécuter sont vraiment gourmands en calculs, " dit Torquato.
L'ouvrage ouvre de nombreuses possibilités d'invention ultérieure, ont dit les chercheurs, qui a surnommé le nouveau domaine de travail « phoamtonics » (un mélange de « mousse » et de « photonique »). Parce que les mousses se produisent naturellement et sont relativement faciles à fabriquer, un objectif possible serait d'amadouer les matières premières à s'auto-organiser dans l'arrangement précis de la mousse Weaire-Phelan, dit Torquato.
Avec le développement ultérieur, la mousse pouvait transporter et manipuler la lumière utilisée dans les télécommunications. Actuellement, une grande partie des données qui transitent sur Internet sont transportées par des fibres de verre. Cependant, à sa destination, la lumière est reconvertie en électricité. Les matériaux à bande interdite photonique pourraient guider la lumière beaucoup plus précisément que les câbles à fibres optiques conventionnels et pourraient servir de transistors optiques qui effectuent des calculs à l'aide de la lumière.
"Qui sait?" dit Torquato. "Une fois que vous avez ceci comme résultat, Ensuite, il fournit des défis expérimentaux pour l'avenir. "
