Znajdź zawartość

Próżnia jest powszechnie uznawana za najdoskonalszy izolator. brak atomów powoduje, że ciepło jest bardzo słabo przewodzone. Jednak najnowsze badania pozwoliły naukowcom wpaść na trop materiału, który jeszcze słabiej przewodzi ciepło. Chodzi tutaj o warstwy fotonicznych kryształów przedzielonych próżnią. Ciepło może być transferowane pomiędzy materiałai poprzez konwekcję, przewodnictwo i radiację. Dwie pierwsze metody wymagają istnienia materialnego medium, zatem nie działają w próżni. jednak radiacja w postaci światła podczerwonego przemieszcza się w próżni, powodując np. powolne stygnięcie płynu w termosie. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda pracujący pod kierunkiem Shanhuia Fana już w ubiegłym roku zaczęli zastanawiać się, czy istnieje lepszy izolator od próżni. Z ich teoretycznych wyliczeń wynikało, że mogą to być kryształy fotoniczne. Powstają one w naturze (np. opal), można je również wytworzyć w laboratorium. Ich szczególną cechą jest struktura o okresowo rozłożonym współczynniku załamania. Mamy w niej do czynienia z fotoniczną przerwą energetyczną, a więc nie przechodzi przezeń konkretna długość fali świetlnej. Uczeni odkryli, że struktura o grubości 100 mikrometrów, zbudowana z 10 warstw kryształów o grubości 1 mikrometra każda, pomiędzy którymi znajdują się 10-mikrometrowe obszary próżni, powoduje, że przewodnictwo cieplne jest o 50% mniejsze niż w przypadku zastosowania samej próżni. Dalsze badania dowiodły, że nie zależy ono od grubości warstw kryształów, ale od współczynnika załamania światła. Odkrycie to może mieć liczne zastosowania. Na przykład tam, gdzie energia słońca jest wykorzystywana do podgrzewania, przyda się materiał, który będzie przepuszczał światło widzialne, ale zatrzyma ciepło.

Dzięki pracom Michaela Bartla i jego zespołu z University of Utah oraz dzięki pewnemu... chrząszczowi, możliwa stanie się produkcja idealnych kryształów fotonicznych, która pozwolą na manipulowanie światłem i zbudowanie bardzo wydajnego fotonicznego komputera. Naukowcy odkryli, że pancerz jednego z gatunków brazylijskich chrząszczy składa się z idealnych fotonicznych kryształów. Jak zauważył Bartl, natura opracowała proste metody produkcji struktur, których nie jesteśmy w stanie uzyskać za pomocą wartych miliony dolarów urządzeń. Wspomniany owad to Lamprocyphus augustus, a jego pancerz po raz pierwszy w historii pozwolił naukowcom na pracę ze strukturą, która jest idealnym fotonicznym kryształem. Dzięki swojej specyficznej budowie pancerz chrząszcza mieni się w słońcu wieloma odcieniami zieleni. Niestety, natura nie była dla naukowców na tyle łaskawa, by dać im do ręki gotowe rozwiązanie. Chityna, z której zbudowany jest pancerz, nie nadaje się do produkcji kryształów. Jest niestabilna, nie jest półprzewodnikiem i nie zagina odpowiednio światła. Dlatego też Bartl i jego zespół próbują naśladować pancerz i stworzyć kryształy w warunkach laboratoryjnych. Fotoniczne kryształy posłużą nie tylko do budowy optycznych komputerów. Przydadzą się również do stworzenia bardziej wydajnych ogniw słonecznych, posłużą jako katalizatory reakcji chemicznych, wejdą w skład miniaturowych laserów. Jak wyjaśnia Bartl, fotoniczne kryształy to nowy typ materiału optycznego, który pozwoli na manipulowanie światłem w sposób odmienny od klasycznego. Dzięki takim kryształom będzie można np. zdecydować, które długości fali i z jaką prędkością przejdą przez kryształ, a które się od niego odbiją. Problem w tym, że nikomu nie udało się dotychczas stworzyć idealnych kryształów fotonicznych. Oczywiście każdy słyszał o tym, że diamenty są idealnymi kryształami. Nie można ich jednak użyć do manipulowania światłem, gdyż poszczególne atomy w diamencie są upakowane zbyt gęsto. Jako pierwsza żukiem Lamprocyphus augustus zainteresowała się Lauren Richey, była studentka Springville High School, obecnie studiująca na Brigham Young University. Badała ona zjawisko opalizowania w naturze. Szukała opalizującego chrząszcza, więc jej uczelnia zamówiła dostarczenie Lamprocyphus augustus. Opalizująca zieleń zwierzęcia jest wywołana strukturą pancerza, a nie żadnym barwnikiem. Bliższe badania wykazały, że każdy z kryształów tworzących pancerz owada ma wymiary 200x100 mikrometrów. Światło zielone, o długości fali 500-550 nanometrów, nie jest w stanie przez nie przeniknąć i się odbija. Naukowcy zauważyli, że chrząszcz opalizuje pod każdym kątem, pod jakim się nań spogląda. Tymczasem w większości podobnych materiałów zjawisko opalizacji widać tylko pod niektórymi kątami. Badania mikroskopem elektronowym wykazały ponadto, że kryształy jego pancerza nie są podobne do typowych sztucznych kryształów fotonicznych. Dalsze badania prowadzono za pomocą mikroskopu skaningowego. Po stworzeniu 150 przekrojów przez strukturę chitynowych kryształów i ich złożeniu w komputerze okazało się, że pancerz tworzą idealne, czyli podobne do diamentów, struktury krystaliczne. Zbudowane są jednak nie z węgla, a z powietrza i chityny. Mając te dane, naukowcy postanowili sprawdzić na nich posiadaną wiedzę teoretyczną, by przekonać się, jaki kolor, według teorii, powinien mieć kryształ o takiej budowie. Odpowiedź brzmiała: zielony opalizujący. Uczeni nie wiedzą też, po co owadowi taki kolor. Widoczna zieleń jest nienaturalna, więc nie chodzi o kamuflaż. Prawdopodobnie chrząszcz swoim pancerzem chce zwrócić uwagę płci przeciwnej.