'Luchtbolkristallen' ondoordringbaar voor licht
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit van Amsterdam zijn er in geslaagd een materiaal te maken dat vrijwel ondoordringbaar is voor licht van bepaalde kleuren. Het gaat om titaandioxide waarin minuscule bolletjes lucht geordend zijn als in een kristalrooster. Deze 'luchtbolkristallen' zijn een belangrijke stap vooruit naar een fundamenteel nieuwe manier om de voortplanting van licht te manipuleren. Uiteindelijk zouden zij kunnen fungeren als bouwstenen van een computer die schakelt met licht in plaats van elektriciteit. De resultaten van het onderzoek worden vrijdag 7 augustus gepubliceerd in Science.
Ongeveer tien jaar geleden is door Amerikaanse onderzoekers theoretisch voorspeld dat licht onder sommige omstandigheden in geen enkele richting door een kristal heen kan en evenmin wordt geabsorbeerd. Al het licht wordt gereflecteerd.
Dit verschijnsel heet de 'fotonische bandkloof'. Tot nu toe is niemand er in geslaagd een materiaal met een fotonische bandkloof voor licht te maken. Maar interessant zou dat zeker zijn, als eerste stap op weg naar een computer op basis van licht. Want als licht naar wens van de experimentator wel of niet door een kristal kan, ontstaat net als op een chip de mogelijkheid te schakelen met 'enen' en 'nullen'.
Geïnspireerd door opaal
Bij hun zoektocht naar een materiaal met een fotonische bandkloof lieten de onderzoekers, dr. Judith Wijnhoven en dr. Willem Vos, zich inspireren door de edelsteen opaal. Opaal vertoont namelijk voor sommige golflengten een verschijnsel dat kan worden beschouwd als een voorloper van een fotonische bandkloof. Dat is te zien aan de paarlemoeren glans van het materiaal.
Die paarlemoeren glans heeft opaal omdat de edelsteen is opgebouwd uit regelmatig opgestapelde minuscule bolletjes glas met daartussen lucht, net als een kristal, maar dan duizend maal groter. Op de scheidingsvlakken tussen lucht en glas wordt een lichtstraal verbogen en verstrooid.
Als nu de afstand tussen de bolletjes in het opaal gelijk is aan de golflengte van een kleur licht, wordt dat licht in een bepaalde richting teruggekaatst, het kristal uit. Dit verschijnsel staat bekend als de Bragg-reflectie.
De mate waarin opaal licht terugkaatst, hangt voornamelijk af van de verhouding van de brekingsindices van de twee stoffen waaruit het bestaat. Theoretisch is voorspeld dat een fotonische bandkloof mogelijk is als die groter is dan twee. Opaal heeft een verhouding van ongeveer anderhalf. In het gebruikelijke systeem van massieve bolletjes in lucht is het moeilijk de verhouding aanzienlijk te vergroten.
De Amsterdamse onderzoekers is dat gelukt, door de situatie om te draaien. In plaats van een kristalrooster van massieve bolletjes waartussen lucht zit, creëerden ze een kristalrooster van bolletjes lucht waartussen titaandioxide zit. In dit materiaal is de verhouding van de brekingsindices 2,6.
Honingraatvlakken
Om de kristallen van luchtbolletjes in titaandioxide te maken, is uitgegaan van latex, microscopisch kleine en gelijkvormige bolletjes polystyreen, een polymeer, in water. De bolletjes hebben een straal tussen de honderdtachtig en vijftienhonderd nanometer, éénmiljoenste millimeter.
Door de latex te centrifugeren zakken de relatief zware bolletjes polystyreen naar de bodem. Zij vormen een regelmatig kristalrooster. Het water staat daarboven en wordt verdampt. Een chemische reactie vult vervolgens de ruimte tussen de bolletjes polystyreen met titaandioxide. Verhitting van het materiaal leidt er tot slot toe dat het polystyreen als gas verdwijnt. In plaats van de polystyreenbolletjes zitten er dan luchtbolletjes tussen het titaandioxide.
De luchtbolletjes blijken gerangschikt in honingraatvlakken. Dit is waargenomen met een elektronenmicroscoop die ruim duizend maal vergroot. Al met het blote oog is de reflectie van bepaalde kleuren licht aan de kristallen goed te zien, net als in parelmoer. Metingen tonen aan dat van één bepaalde kleur vrijwel geen licht tot het kristal doordringt.
Hoe dicht de fotonische bandkloof precies is genaderd, is nog niet duidelijk. Een maat hiervoor is het aantal kleuren dat tegelijkertijd door het kristal wordt gereflecteerd. Dit aantal wordt uitgedrukt als een percentage van de centrale golflengte.
De verwachting is dat deze verhouding voor een fotonische bandkloof 15 à 20 procent moet bedragen. Voor het titaandioxide van Wijnhoven en Vos is dat 13 procent.
Overigens zijn voor luchtbolkristallen nog andere toepassingen mogelijk dan een computer op basis van licht. Door hun regelmatige poriën zijn ze ook bruikbaar als katalysator, als scheider van macromoleculen of in microlenzen voor röntgenstraling.
Voor meer informatie kunt u terecht bij dr. Willem Vos, tel. (020) 525 63 83, fax (020) 525 57 88, web: http://www.wins.uva.nl/research/scm