La tension appliquée crée une torsion nématique dans les cristaux liquides (bleu) autour d'une nanotige (rouge) entre deux électrodes dans une expérience à l'Université Rice. Ce graphique montre des cristaux liquides dans leur phase homogène (à gauche) et leur phase nématique torsadée (à droite). Selon l'orientation des nanotiges, les cristaux liquides révéleront ou masqueront la lumière lorsque la tension est appliquée. (Credit Link Lab/Rice University)
(PhysOrg.com) -- Un jeu à l'échelle nanométrique de "maintenant vous le voyez, maintenant vous ne le faites pas" peut contribuer à la création de métamatériaux avec des propriétés optiques utiles qui peuvent être activement contrôlées, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Un laboratoire Rice dirigé par le chimiste Stephan Link a découvert un moyen d'utiliser des cristaux liquides pour contrôler la lumière diffusée par les nanotiges d'or. Les chercheurs utilisent la tension pour manipuler avec sensibilité l'alignement des molécules de cristaux liquides qui bloquent et révèlent alternativement la lumière des particules; les nanotiges d'or collectent et retransmettent la lumière dans une direction spécifique.
La recherche a été publiée dans la revue American Chemical Society Lettres nano .
Cela semble simple, mais Link a déclaré que la technique a pris deux ans pour s'affiner au point où la lumière des nanoparticules pourrait être complètement contrôlée.
"La clé de notre approche est la rotation dans le plan de molécules de cristaux liquides couvrant des nanotiges d'or individuelles qui agissent comme des antennes optiques, " dit Link, professeur assistant de chimie et de génie électrique et informatique. « Apprendre le fonctionnement de nos appareils était passionnant et nous a fourni de nombreuses idées sur la façon de manipuler la lumière à l'échelle nanométrique. »
Link a dit que l'appareil est en fait une plaque super demi-onde, une version raffinée d'un appareil standard qui modifie la polarisation de la lumière.
Avec le nouvel appareil, l'équipe s'attend à pouvoir contrôler la lumière de n'importe quelle nanostructure qui se diffuse, absorbe ou émet de la lumière, même des points quantiques ou des nanotubes de carbone. "La lumière n'a qu'à être polarisée pour que cela fonctionne, " dit Link, qui étudie les propriétés plasmoniques des nanoparticules et a récemment rédigé une perspective sur les recherches récentes de son groupe en plasmonique pour le Journal of Physical Chemistry Letters. (Voir une vidéo de Link et de son équipe ici.)
En lumière polarisée, comme la lumière du soleil se reflétant sur l'eau, les ondes lumineuses sont alignées dans un plan particulier. En changeant le sens de leur alignement, les cristaux liquides peuvent bloquer ou filtrer la lumière de manière réglable.
Des images de diffusion de champ sombre polarisé de nanotiges d'or uniques dans des espaces d'électrodes les montrent soit allumées soit éteintes en fonction de la tension appliquée à un essaim de cristaux liquides. Les flèches indiquent la polarisation de la lumière détectée, soit parallèle (violet) soit perpendiculaire (vert) au réseau d'électrodes. (Credit Link Lab/Rice University)
L'équipe Rice a utilisé des nanotiges d'or comme source de lumière polarisée. Les tiges agissent comme des antennes optiques; lorsqu'il est illuminé, leurs plasmons de surface réémettent de la lumière dans une direction spécifique.
Dans leur expérience, l'équipe a placé des nanotiges déposées au hasard dans un réseau d'électrodes alternées sur une lame de verre; ils ont ajouté un bain de cristaux liquides et une lamelle. Un revêtement en polyimide sur la lamelle supérieure forçait les cristaux liquides à s'orienter parallèlement aux électrodes.
Les cristaux liquides dans cette phase homogène ont bloqué la lumière des nanotiges dans un sens, tout en laissant la lumière des nanotiges dirigées d'une autre manière traverser un polariseur jusqu'au détecteur.
Ce qui s'est passé alors était remarquable. Lorsque l'équipe a appliqué aussi peu que quatre volts aux électrodes, les cristaux liquides flottant au voisinage des nanotiges se sont alignés avec le champ électrique entre les électrodes tandis que les cristaux au-dessus des électrodes, toujours sous l'influence du revêtement de la lamelle, resté sur place.
La nouvelle configuration des cristaux - appelée phase nématique torsadée - a agi comme un obturateur qui a commuté les signaux des nanotiges comme un feu de circulation.
"Nous ne pensons pas que cet effet dépend des nanotiges d'or, " dit Link. " Nous pourrions avoir d'autres nano-objets qui réagissent avec la lumière de manière polarisée, et ensuite on pourrait moduler leur intensité. Cela devient un polariseur accordable."
L'écart - de l'ordre de 14 microns - entre le haut des électrodes et le bas de la lamelle était essentiel au succès de l'expérience. "L'épaisseur de cet espace détermine la quantité de rotation, " dit Link. " Parce que nous avons créé le nématique torsadé dans le plan et que nous avons une certaine épaisseur, nous obtenons toujours une rotation de 90 degrés. C'est ce qui en fait une super plaque demi-onde."
Link voit un grand potentiel pour la technique lorsqu'elle est utilisée avec un réseau de nanoparticules orientées dans des directions spécifiques, dans lequel chaque particule serait complètement contrôlable, comme un interrupteur.
