Ученые из Великобритании создали необычные наночастицы, которые могут одновременно быть прозрачными для света и превращаться в идеальное зеркало, и опубликовали «рецепт» по их изготовлению в статье в журнале Nature Materials.
«Наночастицы находятся в очень тонком балансе. Мы очень долго пытались заставить их вести себя правильно, однако они постоянно склеивались друг с другом, а не равномерно распределялись по раствору. Нам пришлось создать десятки моделей и провести столь же большое число экспериментов для того, чтобы создать действительно управляемый слой наночастиц», — рассказывает Джошуа Эдель (Joshua Edel) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания).
Наночастицы и тонкие полоски из некоторых металлов, к примеру золота или серебра, способны поглощать видимый свет и передавать его дальше в виде других форм электромагнитного излучения. В это время на поверхности металла возникают так называемые плазмоны — коллективные колебания электронов, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн.
Одним из самых ярких примеров работы плазмонов считается древнеримский кубок Ликурга — сосуд из стекла, меняющего прозрачность в зависимости от освещения. Другие примеры их работы — микроволновый «плащ-невидимка», созданный в 2014 году, и прозрачный футуристический дисплей на плазмонах, созданный в MIT.
Эдель и его коллеги, в том числе российский физик Алексей Корнышев, очень долгое время пытались ликвидировать один из главных недостатков плазмонов — почти полную невозможность управлять их свойствами после того, как они были изготовлены.
Как объясняют ученые, то, как плазмоны взаимодействуют со светом и какой именно свет они поглощают или пропускают через себя, зависит от двух их характеристик — размеров и расстояния между индивидуальными наночастицами. Физики достаточно давно научились управлять положением отдельных наночастиц, однако «дирижирование» миллионами и миллиардами плазмонов оставалось нерешенной задачей.
Корнышев, Эдель и их единомышленники смогли решить эту проблему, используя две остроумные идеи: они поместили наночастицы не на поверхность другого металла или кремния, как это обычно делают ученые в опытах с плазмонами, а в водный раствор, и создали особую химическую среду, позволявшую управлять положением всех частиц в растворе при помощи импульсов электричества.
Создание этого «жидкого зеркала» началось с того, что ученые заметили, что обычные наночастицы золота, покрытые полимерной пленкой, могут отталкиваться друг от друга или сближаться друг с другом, не склеиваясь, если их зарядить и поместить в особый электролит, состоящий из двух несмешиваемых жидкостей с разными электрическими свойствами.
В состоянии покоя эта жидкость заставляет кусочки золота удаляться друг от друга на достаточно большие расстояния, в результате чего она становится прозрачной для волн видимого света. Если же через нее пропустить электрический ток, то положение ионов в электролите поменяется, и часть заряженных частиц увлечет за собой частицы золота и выстроит и в своеобразный плоский лист.
Частицы металла в нем будут находиться достаточно близко для того, чтобы они могли поглощать фотоны видимого света и повторно излучать их в обратном направлении, что будет делать поверхность раствора зеркальной. При этом они не склеятся друг с другом, что позволяет сделать зеркало прозрачным, отключив ток или поменяв местами полюса у его источника.
Подобные структуры, как отмечают физики, позволяют не только создавать «электрические» зеркала, но и множество других экзотических оптических приборов с полностью управляемой оптикой, которые сегодня считаются фантастикой. Такие плазмонные устройства, по мнению Эделя и Корнышева, могут в разы ускорить скорость работы глобальной сети, создать новые телескопы и стать основой для световых компьютеров будущего.
