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研究人员在化学上进行轻微的改变来雕刻光学微结构

2020-12-23 20:53

研究人员在化学上进行轻微的改变来雕刻光学微结构

2013年,哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院(SEAS)以及Wyss仿生工程研究所的材料科学家们生长了众多类的自装配晶体微结构。现在,工程与应用科学学院以及Wyss仿生研究所的应用于数学家们研发出有了一个理论框架以更佳地解读和掌控这些微观结构的生产。这些研究人员牵头在一起用于这个框架来生长简单的光学微器件。这项研究成果公开发表在了《科学》杂志上。当牵涉到到多功能材料的生产时,大大自然将人类相比之下的甩在了后面。海洋软体动物可以将光子结构映射到它们倾斜的壳内而会影响壳的强度;深海海绵演化出有光导纤维将光线导给与其共生的生物;而海蛇的骨骼上覆盖面积着镜头来将光线探讨入体内,以在晚上“看见”周围的情况。在生长过程中,这些简单的光学结构调整出有微小的,定义较好的曲线和中空形状,以更佳地引领和捕捉光线。研究人员用于了一种新的框架来生长简单的光学微器件,还包括作为波导用于的喇叭形的组合体在实验室中生产简单的仿生形状往往必须花费很多的时间和成本。2013年的突破性进展是由AmySmithBerylson材料科学与化学以及化学生物学荣誉教授,Wyss研究所的核心成员,材料科学家JoannaAizenberg以及前博士后研究员WimL.Noorduin领导的。这项研究使得研究人员需要通过非常简单地操控烧杯中的化学梯度来在衬底上生产精美的花状结构。这些结构由碳酸盐和玻璃构成,构成一束薄薄的墙。那个时候这项研究所缺少的是对其中所牵涉到的机制的定量解读,而这不会使我们需要对这些结构展开更加准确的掌控。理论学家的转入。受到用来说明凝结和结晶模式的理论的灵感,LolaEnglanddeValpine应用于数学,物理以及有机和演化生物学荣誉教授L.Mahadevan,和博士后研究员C.NadirKaplan,研发出有一套新的几何框架来说明了以前的沉积图案是怎么生长的,甚至还预测了新的结构。Mahadevan同时也是Wyss研究所的核心成员。在实验中,结构的形状可以通过转变构成该形状的溶液的pH值来掌控。“在低pH值下,这些结构不会以一种平缓的方式生长,从而不会获得一个扁平的形状,就像花瓶的一面,”该文章的联合作者Kaplan说道,“而在较低pH值下,结构开始倾斜,从而获得螺旋结构。”当Kaplan用代表化学变化的数学参数来解法关于pH值的函数的方程时,他找到他可以修复出有由Noorduin和Aizenberg研发的所有形状——并由此明确提出新的结构。“一旦我们解读了这些结构的生长和形式,我们就可以分析它们;我们的目标是利用这个理论来得出结论一个方法,来从下而上地建构光学结构,”Kaplan说道。Kaplan和Noorduin一起生长谐振器,波导的分束器。“当我们有了这个理论框架,我们就需要以实验的方式来展出完全相同的工艺,”Noorduin说道,他是本文的联合第一作者。“我们不仅需要生长这些微观结构,而且我们还可以证明它们导光的能力。”Noorduin现在是荷兰材料研究的组织原子和分子物理学研究所(AMOLF)的一个小组的带头人。“这种方法可能会获取一种可拓展的、廉价而准确的用来生产无法用自上而下的方式来生产的简单三维微结构的策略,并且根据磁学、电子学或光学的应用于的市场需求来对其展开剪裁,”JoannaAizenberg说道,他是该文章的联合作者。“我们的理论指出,除了生长,碳酸盐-氧化硅结构也需要沿着薄壁的边缘展开倾斜,”该论文的资深作者Mahadevan说道。“一般来说在传统的晶体例如生长中的雪花中,是没这种额外的维度的。这指向了一种新的矿化生长机制,而且因为该理论与规模是不相关的,因此它有可能可以适应环境物理与生物系统中的其他几何约束的生长现象。”接下来,这些研究人员期望仿真这些结构的群体是如何相互竞争以取得化学物质的,就像森林中的树木争夺战阳光一样。该文章的年出版者还包括LingLi,RoelSadza和LauraFolkertsma。该研究由美国国家科学基金会,哈佛大学Kayli生物纳米科学与科技研究所以及哈佛大学材料科学与工程研究中心资助。