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光學工程
通過在化學上進行輕微的改變來雕刻光學微結構

研究人員使用了一種新的框架來生長復雜的光學微器件,包括作為波導使用的喇叭形的組合體。


       2013年,哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院(SEAS)以及Wyss仿生工程研究所的材料科學家們生長了一大類的自組裝晶體微結構。現在,工程與應用科學學院以及Wyss仿生研究所的應用數學家們開發出了一個理論框架以更好地理解和控制這些微觀結構的制造。
這些研究人員聯合在一起使用這個框架來生長復雜的光學微器件。
這項研究成果發表在了《科學》雜志上。
當涉及到多功能材料的制造時,大自然將人類遠遠的甩在了后面。海洋軟體動物可以將光子結構嵌入到它們彎曲的殼內而不會影響殼的強度;深海海綿進化出光導纖維將光線導給與其共生的生物;而海蛇的骨骼上覆蓋著鏡頭來將光線聚焦進體內,以在晚上“看到”周圍的情況。在生長過程中,這些復雜的光學結構調整出微小的,定義良好的曲線和中空形狀,以更好地引導和捕獲光線。
在實驗室中制造復雜的仿生形狀往往需要花費很多的時間和成本。2013年的突破性進展是由Amy Smith Berylson材料科學與化學以及化學生物學榮譽教授,Wyss研究所的核心成員,材料科學家Joanna Aizenberg以及前博士后研究員Wim L. Noorduin領導的。這項研究使得研究人員能夠通過簡單地操縱燒杯中的化學梯度來在襯底上制造精致的花狀結構。這些結構由碳酸鹽和玻璃組成,形成一束薄薄的墻。
那個時候這項研究所缺乏的是對其中所涉及的機制的定量理解,而這會使我們能夠對這些結構進行更精確的控制。

理論學家的進入。
受到用來解釋凝固和結晶模式的理論的啟發,Lola England de Valpine應用數學,物理以及有機和進化生物學榮譽教授L.Mahadevan,和博士后研究員C. Nadir Kaplan,開發出一套新的幾何框架來解釋了以前的沉積圖案是怎么生長的,甚至還預測了新的結構。
Mahadevan同時也是Wyss研究所的核心成員。
在實驗中,結構的形狀可以通過改變形成該形狀的溶液的pH值來控制。
“在高pH值下,這些結構會以一種平坦的方式生長,從而會得到一個扁平的形狀,就像花瓶的一面,”該文章的共同作者Kaplan說,“而在低pH值下,結構開始彎曲,從而得到螺旋結構。”
當Kaplan用代表化學變化的數學參數來求解關于pH值的函數的方程時,他發現他可以重建出由Noorduin和Aizenberg開發的所有形狀——并由此提出新的結構。
“一旦我們理解了這些結構的生長和形式,我們就可以量化它們;我們的目標是利用這個理論來得出一個方法,來從下而上地構建光學結構,”Kaplan說。
Kaplan和Noorduin一起生長諧振器,波導的分束器。
“當我們有了這個理論框架,我們就能夠以實驗的方式來展示相同的工藝,”Noorduin說,他是本文的共同第一作者。“我們不僅能夠生長這些微觀結構,而且我們還可以證明它們導光的能力。”
Noorduin現在是荷蘭材料研究組織原子和分子物理學研究所(AMOLF)的一個小組的帶頭人。
“這種方法可能會提供一種可擴展的、廉價而精確的用來制造不能用自上而下的方式來制造的復雜三維微結構的策略,并且根據磁學、電子學或光學的應用的需求來對其進行剪裁,”Joanna Aizenberg說,他是該文章的共同作者。
“我們的理論表明,除了生長,碳酸鹽-氧化硅結構也能夠沿著薄壁的邊緣進行彎曲,”該論文的資深作者Mahadevan說。“通常在傳統的晶體例如生長中的雪花中,是沒有這種額外的自由度的。這指向了一種新的礦化生長機制,而且因為該理論與規模是不相關的,因此它可能可以適應物理與生物系統中的其他幾何約束的生長現象。”
接下來,這些研究人員希望模擬這些結構的群體是如何相互競爭以獲得化學物質的,就像森林中的樹木爭奪陽光一樣。


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