Magia zintensyfikowanej nieliniowej aktywności optycznej

Optyka nieliniowa wykorzystuje media, które reagują w sposób nieliniowy na marginalne promieniowanie elektromagnetyczne, zmieniając długość jego fali (i częstotliwość), a tym samym kolor. Ważne dla przemysłu nieliniowe efekty optyczne obejmują rozpraszanie Ramana, absorpcję dwufotonową i generowanie wysokich harmonicznych.

Niedawno wykazano, że materiały kompozytowe składające się ze starannie zaprojektowanych polimerów i nanocząsteczek metalu produkują nieliniowe optyczne rzędy aktywności o wielkości znacznie przekraczającej materiały konwencjonalne. Finansowany przez UE projekt "Polymer / metal nanoparticles composites with enhanced non-linear optical properties" (COMPONLO) uruchomiono, by przeprowadzić systematyczną ewaluację tych materiałów.

Naukowcy wybrali dwa systemy kopolimerów o odmiennych temperaturach zeszklenia — jedną z najważniejszych właściwości każdego tworzywa epoksydowego. Temperatura zeszklenia to w rzeczywistości zakres temperatur, w którym polimer przechodzi ze stanu kruchego i szkłopodobnego w miękki i gumowaty. Oba systemy kopolimerów zsyntetyzowano z użyciem nanocząsteczek złota (Au) i bez nich.

Naukowcy zastosowali technikę zwaną "corona poling" do ewaluacji indukcji lub wzrostu nieliniowych właściwości optycznych. Technika "corona poling" osiuje cząsteczki w folii polimerowej lub polimerze tak, by jego wskaźnik refrakcji zmienił się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.

Odkryto, że polimery z rodziny niskiej temperatury przemiany przejawiają nieliniowe zachowanie optyczne (generacja drugiej harmonicznej lub SHG) jeszcze przed zastosowaniem techniki "corona poling". "Corona poling" tymczasowo obniżyła sygnał, ale po starzeniu w temperaturze pokojowej został on odzyskany. Nanocząsteczki Au znacznie powiększyły SHG w stosunku do tego polimerów obnażonych.

Czyste kopolimery z rodziny wyższej temperatury przemiany przejawiały nieliniowe właściwości optyczne tylko po zastosowaniu techniki "corona poling". Dodatek nanocząsteczek Au wywoływał nieliniowość nawet bez zastosowania "corona poling", jednak obniżał późniejszy sygnał SHG w stosunku do sygnału czystych kopolimerów, niezależnie od zawartości Au. Możliwe, że nanocząsteczki Au blokowały dalsze osiowanie cząsteczkowe po zastosowaniu "corona poling", zasadniczo unieruchamiając konfigurację makromolekularną. Dodatkowo struktury nanoprętów lub nanopowłok Au kolidowały z rozwojem nieliniowej aktywności optycznej, przypuszczalnie z powodu rozpraszania światła generowanego przez SHG przez nadwymiarowe cząsteczki Au.

Wyniki projektu COMPONLO jako jedne z pierwszych charakteryzują w sposób systematyczny obiecującą nową klasę materiałów o ulepszonej nieliniowej aktywności optycznej. Stanowią one podstawy do eksploatacji tego zjawiska w nowych fascynujących urządzeniach.