Forschung -

Hydrogel für volloptisches Computing

Ein Computer ohne elektronische Schaltungen? Dies lässt sich mit optischen Elementen realisieren, die Licht im sogenannten Self-Trapping eingeschlossen halten. Dies würde eine nahezu verlustfreie, extrem schnelle und breitbandige Übertragung ermöglichen. Bislang leidet die Technologie aber an den Nachteilen der dazu notwendigen nichtlinearen Materialien: Sie benötigen eine hohe Strahlungsleistung, verlieren ihre Intensität bei großen Übertragungsentfernungen und sind irreversibel.

Eine gemeinschaftliche Studie der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), USA , der McMaster University, Kanada, und der University of Pittsburgh, USA, beschreibt, wie ein spezielles Hydrogel durch reversible Quellung und Kontraktion selbst bei Leistungen im Mikro- bis Milliwattbereich Self-Trapping erzeugt und die dynamischen Lichtwechselwirkungen sowohl im Nah- als auch Fernbereich erleichtert. Sichtbares Licht isomerisiert Spiropyran-Substituenten in einem pH-empfindlichen Poly(acrylamid-co-acrylsäure)-Trägergel, das sich daraufhin mechanisch verformt. Insbesondere die Umwandlung von Merocyanin erhöht die Hydrophobie, das Material stößt also Wasser ab und kontrahiert entlang des bestrahlten Pfades, was den Brechungsindex lokal ansteigen lässt.

Derselbe Mechanismus findet in Fotoschaltern Anwendung, etwa in der Sensorik oder Nanofluidik. In Polymeren kann man damit die Steifigkeit, die Oberflächenbenetzung und die photonische Bandlücke aufeinander abstimmen. Die Isomerisierung wurde jedoch bislang als diskretes Ereignis umgesetzt, linear zur Fotoreaktion. Das Self-Trapping hingegen beruht auf der positiven nichtlinearen Rückkopplung zwischen dem optischen Feld und den Brechungseigenschaften des Gels.

Die Forscher konnten mithilfe der mechanischen Verformungen einen transienten Wellenleiter erzeugen, in dem sich ein Gauß-Strahl selbst einfängt. Der Wellenleiter erlischt innerhalb von Sekunden und formt sich neu, wenn das optische Feld entfernt und wieder angelegt wird. So lässt sich der selbstgefangene Strahl schnell und wiederholt (mindestens 50 Mal) mit niedrigen Leistungen bei Umgebungsbedingungen ein- und ausschalten. Die Energieübertragung erfolgt über die vernetzte 3D-Matrix des Hydrogels, die paarweise Wechselwirkungen auch über Trennungsabstände bis zum zehnfachen der Strahlbreite ermöglicht.

D.Morim et al.: Opto-Chemo-Mechanical Transduction in Photoresponsive Gels elicits Switchable Self-Trapped Beams with Remote Interactions; National Academy of Sciences, Februar 2020

Weitere Beiträge zum Thema Forschung Alle Artikel des Ressorts
© elektronikinformationen.de 2020 - Alle Rechte vorbehalten