Das Mischen von Feststoffen und Flüssigkeiten kann das Ausmaß, in dem optische Vorrichtungen Licht streuen, dramatisch verändern

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Anonim

Durch das Eintauchen von Glaspartikeln in eine Flüssigkeit erforschen Forscher am MIT's Media Lab und an der Harvard University einen neuen Mechanismus, um die Diffusivität eines optischen Geräts zu modifizieren oder das Ausmaß, in dem es Licht streut.

In seiner jetzigen Form könnte der neue Diffusor zur Kalibrierung einer breiten Palette von Bildgebungssystemen verwendet werden, aber die Forscher glauben, dass ihr Mechanismus letztlich zu holografischen Videobildschirmen oder abstimmbaren optischen Geräten mit Anwendungen in der Bildgebung, Sensorik und Fotografie führen könnte.

In Experimenten zeigte das Fest-Flüssig-Gemisch deutlich dramatischere Diffusivitätsänderungen, als die bisherige Theorie vorhergesagt hätte. Daher entwickelten die Forscher auch ein neues Computermodell, um es zu beschreiben. Dieses Modell könnte ihnen helfen, komplexere Anwendungen für die Basistechnologie zu entwickeln.

Die Forscher beschreiben ihre neue Arbeit in der neuesten Ausgabe der ACS Photonics Journal der American Chemical Society.

Die Flüssigkeit und das Glas im Prototyp wurden gewählt, weil sie sehr ähnliche Brechungsindizes haben, was bedeutet, dass Licht mit ähnlichen Geschwindigkeiten durch sie hindurchläuft. Wenn sich Licht von einem Material mit einem hohen Brechungsindex zu einem mit einem niedrigeren Brechungsindex bewegt, ändert es die Richtung; Dies ist das Phänomen hinter der bekannten Illusion, dass sich ein Strohhalm biegt, wenn es in ein Glas Wasser eingeführt wird.

Der Prototyp der Forscher nutzt die Tatsache aus, dass Temperaturänderungen die Brechungsindizes der Materialien verändern.

"Es ist schwer, einen Feststoff und eine Flüssigkeit zu finden, die bei Raumtemperatur genau den gleichen Brechungsindex haben", sagt Barmak Heshmat, ein Postdoc in der Camera Culture-Gruppe des Medienlabors und korrespondierender Autor auf dem Papier. "Aber wenn die Geschwindigkeit, mit der sich der Brechungsindex für Festkörper und Flüssigkeit ändert, unterschiedlich ist - was bei den meisten Feststoffen und Flüssigkeiten der Fall ist - dann passen sie bei einer bestimmten Temperatur exakt zur letzten Stelle. Deshalb sehen Sie diesen riesigen Sprung in Transparenz. "

Heshmat wird auf dem Papier von Ramesh Raskar, dem Associate Professor für Medienkunst und -wissenschaften der NEC Career Development und Leiter der Camera Culture Group, und Benedikt Groever, einem Doktoranden in Ingenieurwissenschaften und angewandter Wissenschaft in Harvard, begleitet.

Studieren Sie dagegen

In ihren Experimenten fanden die Forscher heraus, dass eine Temperaturänderung von 10 Grad die Diffusivität ihres Geräts verzehnfachte, und eine Änderung von 42 Grad tauschte sie tausendfach.

Heshmat glaubt, dass eine temperaturmodulierte Version des Filters seines Teams verwendet werden könnte, um Sensoren zu kalibrieren, die bei der Untersuchung von Materialflüssen, der Untersuchung von Zellen und der medizinischen Bildgebung verwendet werden.

Zum Beispiel werden Systeme für die medizinische Bildgebung typischerweise unter Verwendung von Vorrichtungen kalibriert, die als "Gewebephantome" bezeichnet werden und die optischen Eigenschaften verschiedener Arten biologischer Gewebe duplizieren. Gewebephantome können teuer sein, und viele von ihnen können erforderlich sein, um ein einzelnes Bildgebungsgerät zu kalibrieren. Heshmat glaubt, dass eine Low-Cost-Version des Filters seines Teams eine breite Palette von Geweben imitieren könnte.

Aber das fundamentale Prinzip, das der Prototyp der Forscher zeigt, könnte weitere Auswirkungen haben. Die Wirkung von Wärme auf den Brechungsindex von entweder dem Feststoff oder der Flüssigkeit ist, für sich betrachtet, sehr subtil. Aber wenn die beiden zusammengemischt werden, ist der Effekt auf die Diffusivität dramatisch.

Das gleiche würde, so Heshmat, für andere Arten experimenteller Materialien gelten, deren Brechungsindizes sich entweder auf Licht oder ein elektrisches Feld ändern. Und die optische oder elektrische Aktivierung würde den Anwendungsbereich für abstimmbare optische Vorrichtungen erweitern.

"Wenn Sie photorefraktive Veränderungen in einem festen Material in einer festen Phase haben, ist die Menge der Veränderung, die Sie zwischen dem Feststoff und sich selbst erhalten können, sehr klein", erklärt er. "Sie brauchen ein sehr starkes Feld, um diese Änderung in Ihrem Brechungsindex zu sehen. Aber wenn Sie zwei Arten von Medien haben, wird sich der Brechungsindex des Festkörpers im Vergleich zur Flüssigkeit viel schneller ändern. So erhalten Sie diesen tiefen Kontrast, der kann viel helfen. "

Anwendung

In holographischen Displays können Zellen, die mit einer Mischung aus elektrisch ansprechbaren festen Materialien und einer Flüssigkeit gefüllt sind, ihre Diffusionsfähigkeit ändern, wenn sie mit einer Elektrode geladen werden, ähnlich wie Zellen, die mit ionisiertem Gas gefüllt sind, ihre Farbe in Plasma-Fernsehern ändern. Benachbarte Zellen könnten somit Licht in leicht unterschiedliche Richtungen lenken, die Reflexion von Licht von einer konturierten Oberfläche nachahmen und die Illusion von Dreidimensionalität erzeugen.

Flüssig-Feststoff-Mischungen könnten auch verwendet werden, um abstimmbare Beugungsgitter herzustellen, die in einigen Sensoranwendungen verwendet werden, um Licht oder andere elektromagnetische Strahlung bestimmter Frequenzen herauszufiltern, oder in abstimmbaren Lichtdiffusoren der Sorte, die Fotografen verwenden, um das stark gerichtete Licht von ein Blitz fühlt sich eher wie Umgebungslicht an.

Das Computermodell, das die Forscher in ihrer Arbeit beschreiben, sagt die Diffusivität eines Flüssig-Fest-Gemischs auf der Grundlage der physikalischen Eigenschaften der festen Partikel - wie gezackt oder stachelig sie sind - und ihrer Konzentration in der Flüssigkeit voraus. Dieses Modell, so Heshmat, könnte dazu verwendet werden, feste Teilchen zu entwickeln, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind.

Die Attraktivität dieser Methode kann sogar über Wissenschaft und Technik hinausreichen. "Ich verstehe die offensichtlichen potenziellen wissenschaftlichen Anwendungen, die in der Zusammenfassung aufgeführt sind", sagt Aydogan Ozcan, Professor für Elektrotechnik an der Universität von Kalifornien in Los Angeles. "Aber ich denke, diese Art von Ansatz könnte für die Gestaltung neuer Kunstwerke nützlich sein - zum Beispiel für den Innenausbau. Sie können Möbelteile oder Kunstwerke entwerfen, die die Licht-Materie-Interaktion und die visuelle Wahrnehmung bei Bedarf oder über eine programmierte Schnittstelle verändern. das würde dynamische Lichteffekte in Innenräumen bringen. Ebenso kann es in architektonischen Entwürfen verwendet werden, um Vorhänge durch strukturierte Schnittstellen zu ersetzen. "

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