Sensorik und optische Datenverarbeitung Variable Lichtbrechung: Forscher entwickeln schaltbare Beschichtung

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Dank der besonderen Lichtbrechungseigenschaften einer speziellen Materialbeschichtung ist es möglich, gezielt zwischen verschiedenen Zuständen hin und her zu schalten. Die Beschichtung besteht aus zwei Hauptkomponenten: lichtempfindlichen Polymeren und Metaoberflächen.

Einem interdisziplinären Forschungsteam der Universität Jena ist es gelungen, eine Materialbeschichtung zu entwickeln, deren Lichtbrechungseigenschaft zwischen verschiedenen Zuständen gezielt hin und her geschaltet werden kann. Das Team um Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel und Isabelle Staude kombiniert dafür Polymere, die auf Licht reagieren, mit sogenannten Meta-Oberflächen.

Die entwickelte Beschichtung besteht aus zwei Hauptkomponenten:

• Lichtempfindliche Polymere: Diese Polymere ändern ihre Form, wenn sie mit Licht bestimmter Wellenlänge bestrahlt werden.

• Meta-Oberflächen: Meta-Oberflächen sind künstlich hergestellte Nanostrukturen, die Licht in einer gewünschten Weise manipulieren können.

• Funktionsweise der schaltbaren Beschichtung

Eigenschaften des Lichts gezielt beeinflussen

„Sowohl Metaoberflächen als auch durch Licht schaltbare Polymere sind im Prinzip seit Jahrzehnten bekannt“, erklärt Sarah Walden vom Institut für Festkörperphysik. Aber wir sind die Ersten, die beides in dieser Form kombiniert haben, um daraus neue Bauelemente für optische Anwendungen zu entwickeln. Metaoberflächen, das sind nanostrukturierte dünne Schichten, deren charakteristische Strukturgrößen kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts.

Damit lassen sich die Eigenschaften des Lichts und seine Ausbreitung gezielt beeinflussen, was eine Vielzahl optischer Funktionen ermöglicht, die sonst von Linsen, Polarisatoren oder Gittern übernommen werden. Schaltbare Polymere hingegen sind Kunststoffe, deren Eigenschaften – wie zum Beispiel der Brechungsindex – zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden können.

„Die von uns verwendeten Polymere enthalten Farbstoffmoleküle“, erklärt Felix Schacher vom Institut für Organische und Makromolekulare Chemie. „Das heißt, sie absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge. Dabei verändern sie ihre Struktur – und damit auch ihre Eigenschaften, in diesem Fall den Brechungsindex.“ Um den Farbstoff dann wieder in seine vorherige Struktur mit der entsprechenden Eigenschaft zurückzuversetzen, braucht es Licht einer anderen Wellenlänge.

Die Form der lichtempfindlichen Polymere ändert sich

„Das Besondere an unserem System ist nun“, erklärt die Physikerin Isabelle Staude, „dass sich die Änderungen des Brechungsindexes auf die optischen Eigenschaften der Meta-Oberfläche auswirken, wenn diese mit einem solchen Polymer beschichtet wird.“ Die erzielten Veränderungen waren überraschend deutlich, auch im Vergleich zu bisher bekannten ähnlichen Systemen. „Dadurch, dass die Polymere je nach Farbstoff unterschiedliche Absorptionen zeigen, lassen sich die verschiedenen Effekte sehr gut getrennt oder auch kombiniert steuern“, fasst die Physikerin zusammen.

Bestrahlt man die Beschichtung mit Licht, ändert sich die Form der lichtempfindlichen Polymere. Dies führt zu einer Veränderung der Brechungseigenschaften der Meta-Oberfläche. Dadurch kann die Beschichtung so eingestellt werden, dass sie Licht entweder durchlässt oder reflektiert.

Ungewöhnliches physikalisches Verhalten

Neben diesem vielversprechenden Ergebnis machte das Team noch eine überraschende Entdeckung: „Wir haben in unserer Arbeit zwei verschiedene Farbstoffe getrennt eingesetzt und jeweils auf eine Meta-Oberfläche aufgetragen. Damit konnten wir den Effekt bestätigen“, sagt Schacher. „Bei einer Mischung der beiden schaltbaren Polymere treten jedoch zusätzliche Effekte auf“, berichtet er. „Wir vermuten, dass die beiden unterschiedlichen Farbstoffmoleküle miteinander interagieren, können es aber noch nicht genau sagen.“ Weitere Untersuchungen seien nötig, um dieses interessante Verhalten aufzuklären.

Auch wenn es bei diesen schaltbaren Oberflächen vor allem darum ging, das Grundprinzip zu demonstrieren, gibt es einige Anwendungen, die sich die Forschergruppe perspektivisch vorstellen kann: „Da diese Oberflächen durch Licht zwischen verschiedenen Eigenschaftszuständen umschalten können, liegt die Sensorik als Anwendungsfeld natürlich nahe“.

Ebenso ist denkbar, dass solche schaltbaren Oberflächen in der optischen Datenverarbeitung eingesetzt werden. „Es würde uns als Team natürlich sehr freuen, wenn diese Komponenten zum Beispiel auch für optische neuronale Netze eingesetzt werden könnten, die dann zum Beispiel Bildinformationen so auswerten, wie es eine elektronische künstliche Intelligenz heute schon kann“, sagt Schacher. „Da diese Art der Datenverarbeitung aber auf Licht und nicht auf Elektronik basiert, ist sie deutlich energieeffizienter und schneller als die klassische künstliche Intelligenz, die auf Computern basiert.“

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