Chemiker des Georgia Institute of Technology entwickelten eine neue Familie von Hydrogel-Nanoteilchen, deren optische Eigenschaften sich über ihre Größe und ihren Wassergehalt sehr genau einstellen lassen. Mit diesen Hydrogel-Nanoteilchen stellte das Team unter der Leitung von Andrew Lyon photonische Kristalle her, deren Transmissionseigenschaften sich über einen großen Wellenlängenbereich sehr genau einstellen lassen.
Die fortschreitende Miniaturisierung von Transistoren erlaubt den Bau immer schnellerer Computer. Da sich elektrische Leiter allerdings nicht beliebig eng packen lassen, wird diese Verkleinerung bald an ihre physikalischen Grenzen stossen. Einen Ausweg bieten Lichtstrahlen, die sich auch auf engstem Raum gegenseitig nicht beeinflussen. Um Licht zu führen und zu schalten benötigt man optische Transistoren und eben genau diese Lücke sollen die photonischen Kristalle füllen.
Das Team um Lyon hofft, dass ihre photonischen Kristalle aus den Hydrogel-Teilchen eines Tages als optische Schalter in der Telekommunikation eingesetzt werden. Die Wissenschaftler synthetisierten die Nanoteilchen aus den Materialien poly-N-isopropylacrylamid und N,N-methylenebis(acrylamid) und fällten sie nach der Polymerisation in einer wässrigen Umgebung aus. In einer Zentrifuge wurden die weichen und nahezu runden Teilchen vom Wasser getrennt und die so entstandene, zähflüssige Polymerlösung kann auf Oberflächen aufgebracht werden.
“Wir haben gezeigt,” so Lyon in einem Interview mit Optics.org, “dass die Transmission unserer photonischen Kristalle durch Änderung der Größe oder des Wassergehalts der Nanoteilchen in einem Wellenlängenbereich von 400 bis über 1.000 Nanometer durchgestimmt werden kann.” Die Chemiker stellten bisher mehr als 100 in ihren Transmissioneigenschaften unterschiedliche Hydrogel-Teilchen her, deren Durchmesser zwischen 50 Nanometer und 1 Mikrometer variieren.
Um dem Film aus Hydrogel-Nanoteilchen die, für einen photonischen Kristall erforderlichen, strukturellen und optischen Eigenschaften einzuprägen, wird er auf Temperaturen oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur der Nanoteilchen erhitzt. Das führt dazu, dass die Teilchen ihre bestehende Anordnung im Film auflösen und gleichzeitig Wasser verlieren. Nachdem das überschüssige Wasser entfernt worden ist, wird der Film abgekühlt und die Teilchen ordnen sich wieder regelmäßig an. Dieser Prozess wird so oft wiederholt bis sich die Nanoteilchen in der gewünschten Struktur geordnet haben.
Obwohl es bis zur praktischen Anwendung noch ein weiter Weg ist, glauben die Chemiker an eine Zukunft im Bereich der Telekommunikation. Um ein möglichst großes Informationsvolumen über eine Fiberoptik zu schicken, werden die Signale im Multiplexing-Verfahren durch unterschiedliche Wellenlängen codiert. “Die exakt durchzustimmenden photonischen Kristalle könnten eingesetzt werden, um Informationen bei einer bestimmten Wellenlänge aus einer Optik abzurufen,” so Lyon.
Katja Bammel
