Hoogfrequent terahertz golven hebben een groot potentieel voor een aantal toepassingen, waaronder medische beeldvorming en communicatie van de volgende generatie. Aerogels zouden hier een mooie aanvulling op kunnen zijn.
Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, hebben in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science aangetoond dat de transmissie van terahertz-licht door een aerogel gemaakt van cellulose en een geleidend polymeer kan worden afgestemd. Dit is een belangrijke stap om meer toepassingen voor terahertz-golven te ontsluiten
Uitvoeren van polymeer-cellulose aerogel en optische meetopstelling. Afbeelding tegoed: Thor Balkhed/Linköping Universiteit
Het terahertz-bereik omvat golflengten die tussen microgolven en infrarood licht in het elektromagnetische spectrum liggen. Het heeft een zeer hoge frequentie.
Dankzij dit zijn veel onderzoekers van mening dat het terahertz-bereik een groot potentieel heeft voor gebruik in onder meer ruimteverkenning, beveiligingstechnologie en communicatiesystemen. Bij medische beeldvorming kan het ook een interessant alternatief zijn voor röntgenonderzoek, omdat de golven door de meeste niet-geleidende materialen kunnen gaan zonder enig weefsel te beschadigen.
Er moeten echter verschillende technologische barrières worden overwonnen voordat terahertz-signalen op grote schaal kunnen worden gebruikt. Het is bijvoorbeeld moeilijk om terahertzstraling op een efficiënte manier te creëren en er zijn materialen nodig die terahertzgolven kunnen ontvangen en de transmissie ervan kunnen aanpassen.
Verstelbaar filter
Onderzoekers van de Universiteit van Linköping hebben nu een materiaal ontwikkeld waarvan de absorptie van terahertz-signalen kan worden in- en uitgeschakeld via een redoxreactie. Het materiaal is een aerogel, een van de lichtste vaste materialen ter wereld.
“Het is als een instelbaar filter voor terahertz-licht. In de ene toestand wordt het elektromagnetische signaal niet geabsorbeerd, in de andere toestand wel. Die eigenschap kan nuttig zijn voor langeafstandssignalen uit de ruimte of radarsignalen”, zegt Shangzhi Chen, postdoc bij het Laboratory of Organic Electronics, LOE, aan de Universiteit van Linköping.
De Linköping-onderzoekers gebruikten een geleidend polymeer, PEDOT:PSS, en cellulose om hun aerogel te maken. Ze hebben de aerogel ook ontworpen met buitentoepassingen in gedachten. Het is zowel waterafstotend (hydrofoob) als op natuurlijke wijze ontdooid door verwarming door zonlicht.
Groot modulatiebereik
Geleidende polymeren hebben veel voordelen ten opzichte van andere materialen die worden gebruikt om afstembare materialen te maken. Ze zijn onder andere biocompatibel, duurzaam en hebben een groot aanpassingsvermogen. De afstembaarheid komt voort uit het vermogen om de ladingsdichtheid in het materiaal te veranderen. De grote voordelen van cellulose zijn de relatief lage productiekosten in vergelijking met andere vergelijkbare materialen en dat het een hernieuwbaar materiaal is dat essentieel is voor duurzame toepassingen.
“De transmissie van terahertz-golven in een breed frequentiebereik zou kunnen worden geregeld tussen ongeveer 13% en 91%, wat een zeer groot modulatiebereik is”, zegt Chaoyang Kuang, postdoc bij LOE.
Het onderzoek werd onder meer gefinancierd door de Zweedse Onderzoeksraad, de Stichting voor Strategisch Onderzoek, de Stichting voor Internationalisering van Hoger Onderwijs en Onderzoek, de Knut en Alice Wallenberg Foundation, het Wallenberg Wood Science Centre en via het strategische initiatief van de Zweedse overheid in nieuwe functionele materialen, AFM, aan de Universiteit van Linköping.
Artikel: Schakelbare breedband-terahertz-absorbers op basis van geleidende polymeer-cellulose-aerogels; Chaoyang Kuang, Shangzhi Chen, Min Luo, Qilun Zhang, Xiao Sun, Shaobo Han, Qingqing Wang, Vallery Stanishev, Vanya Darakchieva, Reverant Crispin, Mats Fahlman, Dan Zhao, Qiye Wen, Magnus P. Jonsson; Geavanceerde wetenschap, online gepubliceerd op 23 november 2023. DOI: 10.1002/advs.202305898
feiten: Het terahertz-bereik omvat de golflengten die tussen microgolven en infrarood licht in het elektromagnetische spectrum liggen. De golven hebben een breedte tussen de 0.1 en 1 millimeter en de frequentie bedraagt minimaal 0.3 terahertz en maximaal 30 terahertz. 1 terahertz betekent dat er in één seconde 1000 miljard golven worden verzonden of ontvangen.
Geschreven door Anders Törneholm
Bron: Linköping University
