Nanomateriales inteligentes para la fotónica
Físicos y químicos diseñan fibras ópticas con materiales 2D
Los materiales 2D - nano hojas con grosor atómico - tienen un enorme potencial para una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, combinados con fibras ópticas, los materiales 2D pueden permitir nuevas aplicaciones en las áreas de sensores, óptica no lineal y tecnologías cuánticas. Sin embargo, la combinación de estos dos componentes ha sido hasta ahora muy laboriosa. Típicamente, las capas atómicamente finas tenían que ser producidas por separado antes de ser transferidas a mano a la fibra óptica. Junto con sus colegas australianos, los investigadores de Jena han logrado por primera vez cultivar materiales 2D directamente sobre las fibras ópticas. Este enfoque facilita significativamente la fabricación de tales híbridos.
El estudiante de doctorado Quyet Ngo estudia las fibras ópticas funcionalizadas por materiales 2D.
Jens Meyer/Uni Jena
"Hemos integrado dicalcogenuros de metales de transición - un material 2D con excelentes propiedades ópticas y fotónicas, que, por ejemplo, interactúa fuertemente con la luz - en fibras de vidrio especialmente desarrolladas", explica el Dr. Falk Eilenberger de la Universidad de Jena y del Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión (IOF) de Alemania. "A diferencia del pasado, no aplicamos la lámina de medio nanómetro de espesor manualmente, sino que la cultivamos directamente sobre la fibra", dice Eilenberger, especialista en el campo de la nanofotónica. "Esta mejora significa que el material 2D puede ser integrado en la fibra más fácilmente y a gran escala. También pudimos demostrar que la luz de la fibra de vidrio interactúa fuertemente con su revestimiento". El paso a una aplicación práctica para el nanomaterial inteligente así creado ya no está muy lejos.
El éxito se ha logrado gracias a un proceso de crecimiento desarrollado en el Instituto de Química Física de la Universidad de Jena, que supera los obstáculos anteriores. "Mediante el análisis y el control de los parámetros de crecimiento, hemos identificado las condiciones en las que el material 2D puede crecer directamente en las fibras", dice el experto en materiales 2D de Jena, Prof. Andrey Turchanin, explicando el método basado en las técnicas de deposición química de vapor (CVD). Entre otras cosas, una temperatura de más de 700 grados centígrados es necesaria para el crecimiento del material 2D.
Plataforma de materiales híbridos
A pesar de esta alta temperatura, las fibras ópticas pueden ser usadas para el crecimiento directo de la CVD: "El cristal de cuarzo puro que sirve de sustrato soporta muy bien las altas temperaturas. Es resistente al calor hasta los 2.000 grados Celsius", dice el Prof. Markus A. Schmidt del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica, que desarrolló las fibras. "Su pequeño diámetro y flexibilidad permiten una gran variedad de aplicaciones", añade Schmidt, que también tiene una cátedra subvencionada para la fibra óptica en la Universidad de Jena.
La combinación de material 2D y fibra de vidrio ha creado así una plataforma de material inteligente que combina lo mejor de ambos mundos. "Debido a la funcionalización de la fibra de vidrio con el material 2D, la longitud de interacción entre la luz y el material se ha incrementado significativamente", dice el Dr. Antony George, que está desarrollando el método de fabricación de los nuevos materiales 2D junto con Turchanin.
Sensores y convertidores de luz no lineales
El equipo prevé posibles aplicaciones para el sistema de materiales recientemente desarrollado en dos áreas en particular. En primer lugar, la combinación de materiales es muy prometedora para la tecnología de sensores. Podría utilizarse, por ejemplo, para detectar bajas concentraciones de gases. Para ello, una luz verde enviada a través de la fibra recoge información del entorno en las zonas de la fibra funcionalizadas con el material 2D. A medida que las influencias externas cambian las propiedades fluorescentes del material 2D, la luz cambia de color y vuelve a un dispositivo de medición como luz roja. Dado que las fibras son muy finas, los sensores basados en esta tecnología también podrían ser adecuados para aplicaciones en biotecnología o medicina.
En segundo lugar, un sistema de este tipo también podría utilizarse como un convertidor de luz no lineal. Debido a sus propiedades no lineales, la fibra óptica híbrida puede emplearse para convertir una luz láser monocromática en luz blanca para aplicaciones de espectroscopia en biología y química. Los investigadores de Jena también prevén aplicaciones en las áreas de la electrónica cuántica y la comunicación cuántica.
Excepcional cooperación interdisciplinaria
Los científicos que participaron en este desarrollo destacan que el éxito del proyecto se debió principalmente a la excepcional cooperación interdisciplinaria entre varios institutos de investigación de Jena. Sobre la base del grupo de investigación de Turingia "2D-Sens" y el Centro de Investigación en Colaboración "Nonlinear Optics down to Atomic Scales" de la Universidad Friedrich Schiller, expertos del Instituto de Física Aplicada y del Instituto de Química Física de la Universidad de Jena; el Centro de Fotónica de la Universidad Abbe; el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF; y el Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica colaboran en esta investigación, junto con colegas de Australia.
"Hemos aportado diversos conocimientos especializados a este proyecto y estamos encantados con los resultados obtenidos", dice Eilenberger. "Estamos convencidos de que la tecnología que hemos desarrollado fortalecerá aún más el estado de Turingia como centro industrial centrado en la fotónica y la optoelectrónica", añade Turchanin. Recientemente se ha presentado una solicitud de patente para el invento del equipo interdisciplinario.
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Publicación original
G. Quyet Ngo , A. George, R. T. K. Schock, A. Tuniz, E. Najafidehaghani, Z. Gan, N. C. Geib, T. Bucher, H. Knopf, S. Saravi, Chr. Neumann, T. Lühder, E. P. Schartner, S. C. Warren-Smith, H. Ebendorff-Heidepriem, Th. Pertsch, Markus A. Schmidt, A. Turchanin, F. Eilenberger; "Scalable functionalization of optical fibers using atomically thin semiconductors"; Advanced Materials; 2020
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