Сотрудники Института автоматики и
процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Харбинского
политехнического университета (Китай) и Дальневосточного федерального
университета (Владивосток) нашли способ улучшить оптические свойства диоксида
ванадия — материала, способного значительно менять свою прозрачность в
зависимости от температуры.
Нанесённые лазером на поверхность материала
нанорешётки сделали его более прозрачным в видимом диапазоне, придали ему
восприимчивость к поляризации света и при этом сохранили температурную
чувствительность. Благодаря этому диоксид ванадия можно будет использовать для
создания «умных» окон, автоматически регулирующих количество пропускаемого
тепла и света, а также температурных датчиков. Результаты исследования,
поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ),
опубликованы в The Journal of Physical Chemistry Letters.
Образец диоксида ванадия после лазерной обработки
Диоксид ванадия — перспективный материал для
создания «умных» окон, прозрачность которых меняется в зависимости от
температуры. Такие окна позволяют без дополнительного электропитания
регулировать уровень освещённости и температуру в помещении. Однако на практике
диоксид ванадия всё ещё не используется из-за того, что он недостаточно
прозрачен в видимой области спектра. В результате «умное» окно, изготовленное
из такого материала, будет зеленовато-жёлтого цвета, что выглядит неэстетично.
Поэтому учёные ищут способы повысить прозрачность этого соединения.
Авторы работы предложили нанести
на поверхность диоксида ванадия невидимые невооружённым глазом решётки. Они
представляют собой чередующиеся «гребни» и «впадины», расстояние между которыми
составляет примерно 100 нанометров — примерно в 30 раз меньше среднего размера
бактериальной клетки.
Опытный образец
Исследователи обработали материал сверхкороткими
лазерными импульсами, которые, взаимодействуя с оксидом ванадия, создали на его
поверхности упорядоченные наноструктуры в виде гребней и впадин. Параметры такого
«рисунка», например, частоту и глубину полос, формирующих решётку, можно
менять, настраивая мощность, поляризацию и частоту лазерных импульсов.
Исследование полученных образцов показало, что
лазерная обработка существенно повысила прозрачность материала в видимой
области спектра. При температуре 30 °С материал пропускал 82 % лучей. При этом
кристаллическая структура соединения не нарушилась, и оно сохранило
термохромизм, то есть способность менять прозрачность при изменении
температуры. Так, при нагревании до 100 °С прозрачность материала падала, при
этом сильнее всего — примерно на 70 % — в ближнем инфракрасном диапазоне,
который обеспечивает нагрев предметов. Благодаря этому окна из обработанного
лазером диоксида ванадия позволят избежать излишнего нагрева помещений, в
которых они будут установлены.
Молодой ученый Дмитрий Павлов за работой
Более того, после лазерной обработки прозрачность
материала стала сильно зависеть и от поляризации света. Поляризация показывает,
как ориентирован в пространстве электрический вектор световой волны. Так,
например, в случае солнечного света эти векторы разнонаправлены, и свет
называют неполяризованным. Когда часть волн с разнонаправленными векторами
«отсекают», например, с помощью поляризационных линз, свет становится
поляризованным. Меняя поляризацию падающего света, исследователям удалось
изменять прозрачность материала на 50 %.
«Предложенная технология лазерной печати
позволяет сделать диоксид ванадия прозрачным, сохранив его способность
затемняться при повышении температуры окружающей среды. Более того, лазерная
обработка сделала оптические свойства материала зависимыми от поляризации
света. Это открывает большие возможности для создания не только „умных“ окон,
но и высокочувствительных датчиков температуры и экранов, которые нужны для
защиты человеческих глаз или дорогостоящего оптического оборудования от мощного
лазерного излучения — такое есть, например, на некоторых производствах»,
— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий
Павлов, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории
синхротронных методов изучения свойств новых функциональных наноматериалов
оптоэлектроники, нанофотоники и тераностики ИАПУ ДВО РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.