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新奇超材料 液晶“花儿”制作透镜

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【大纪元2013年12月26日讯】(大纪元记者沙莉编译报导)美国宾夕法尼亚大学的科学家在开发一种液晶花种植技术,使人们有可能制造像蜻蜓复眼一样复杂的透镜。如果这种技术完善,就可以在曲面上长出液晶透镜或可用于组装的液晶结构,由此打造新材料、智能表面、微透镜阵列和先进的传感器。

据Gizmag网站报导,这项研究是“定向组件”纳米技术的重要进展,科学家通过指定起始条件,让物理和化学过程进行组装工作,并打造出微小结构。

要想用液晶制造透镜,研究人员需要在透明液晶池里植入微小的硅珠,以得到“缺陷图案”,这是一种有用的在液晶中发生的重复图案,呈现为纳米级网格和圆环。新的研究尝试从一个更简单的模板产生一种更复杂的图案:花形的三维阵列。围绕“缺陷图案”液晶以分层的方式形成花瓣状的形状,从而产生类似昆虫复眼的花状结构。因为这种“花”的花瓣由透明液晶制成,从中心点呈圆形扩散,整体类似一个复眼,因此可以用作透镜。

液晶池面被种子扭曲后,围绕一个(或双)种子微粒产生的蝶花纹理(Photo: University of Pennsylvania)
液晶池面被种子扭曲后,围绕一个(或双)种子微粒产生的蝶花纹理(Photo: University of Pennsylvania)

这种液晶应用是纳米技术方兴未艾的领域,科学家和工程师的目标是制造最小尺度的结构,而不必单独地操纵各组成部分。相反,精确定义初始条件,让这些组件发生的物理和化学反应做完余下的工作。

研究人员早期实验的起始条件是在模板上放置微小柱体。研究中发现,改变这些柱体的大小、形状或间距会导致它们之上液晶表面“缺陷图案”发生相应变化。在另一项实验中,他们发现,可以围绕个别柱体制作“呼啦圈”缺陷,然后将“呼啦圈”作为第二个模板,在表面产生缺陷环。

液晶池面被种子扭曲后,围绕一个(或双)种子微粒产生的蝶花纹理(Photo: University of Pennsylvania)
液晶池面被种子扭曲后,围绕一个(或双)种子微粒产生的蝶花纹理(Photo: University of Pennsylvania)

宾大艺术与科学学院物理学和天文学教授Randall Kamien解释说,“这就像我们小时做冰糖一样,糖自然会产生结晶,但是你需要在糖里放进一个东西(通常是一根棍子或绳子),让它出现在你想要它出现的地方。我们是在更小的尺寸下进行这个做法。我们利用了向材料里加入绳索就能形成有序结构的特性。就像人工养殖珍珠,在牡蛎壳里放进一颗种子,它自然会产生珍珠层包裹种子。”
放大镜下的液晶花儿 (Photo: University of Pennsylvania)
放大镜下的液晶花儿 (Photo: University of Pennsylvania)

透明液晶形成的每个花瓣都可以充当透镜,因为光可以与它的弯曲表面交互作用。因为可以操纵单个透镜,使它们直径达到几微米至数十微米,就可能创建几十微米到毫米大小的透镜集合“花儿”,该技术使人们有可能种植出复杂如蜻蜓眼睛的液晶眼睛,蜻蜓眼睛有数百万球面透镜,使它能够堆叠大量的图像并转换成3D图像。

宾大工程学院材料科学与工程教授杨澍(Shu Yang)说,“研究人员试图制造这样的复眼,可用于相机或探测器。但是不可能一步到位制造出数百万的眼睛,也不便宜。而自组装式透镜花朵却有可能一步到位创建复眼,我们则可以控制模板的曲率,就是说,我们可以首先确定种植种子的方式,以确定如何将透镜聚合在一起,数量有多少,有何种形状。”

科学家种植液晶花状结构,创建昆虫复眼一样复杂的镜头(Photo: University of Pennsylvania)
科学家种植液晶花状结构,创建昆虫复眼一样复杂的镜头(Photo: University of Pennsylvania)

以这种方式种植透镜提供了许多令人兴奋的可能性。在一个单一透镜眼睛里,可以从中心至边缘改变尺寸,这个功能对某些类型的应用非常有用。生物传感器可以从很多镜头同时收集信息。由于透镜在液晶中形成,液晶又是很容易重新配置的材质,有可能制造可自我修复可重新配置的光学装置。

宾大工程学院工程化学和生物分子工程教授斯泰皮(Kathleen Stebe)说,“我们可以制造出能够拍摄全部表面的廉价镜头,可以从许多点传输图像,并通过算法进行重建,提供给人更高的分辨率,可制造柔性衬底摄像头,弯曲基板镜头。”

创建新的合成超材料,由其中各组分的排列和形状来决定它的物理性质,将成为可能。

杨澍说,“我们也有兴趣研究动态改变超材料的物理特性,可以通过调节种子的形状和布局来实现。这些材料可用来创建超级透镜,它可以生成比光波长小得多的完美影像,也可以制造药物制放系统、机械超材料形状和声学隐形斗篷。”

该小组预计在未来10年之内,这些透镜可用于液晶显示器。

研究团队成员为Daniel A. Beller、Mohamed A. Gharbi、 Apiradee Honglawan、Kathleen J. Stebe、Shu Yang及Randall D. Kamien,研究结果发表在物理评论X(Physical Review X)上。

(责任编辑:毕儒宗)

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2013-12-26 7:50 PM
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