Usynlig bak nanonetting

Het nanonetting skaper vannspeiling slik at forskernes plakat ser ut til å forsvinne.

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

Luftspeilinger som kan klikkes av og på med en bryter? Høyttalere som lager lyd med varme? Hete nanorør fikser begge deler, og mer til.

I en glassbeholder fylt med vann henger tynne tråder tett i tett. Hver tråd er et nanorør; en ultratynn sylinder av karbonatomer.

Så tynt er teppet av tråder, at det er gjennomsiktig. Bak teppet har forskerne fra University of Texas of Dallas satt en liten plakat med teksten ”Invisibility cloaks” – usynlighetskappe.

Forskerne slår over en bryter. Trådene varmes opp av elektrisk strøm. En bølge av usynlighet sprer seg ut over teppet. Hva har skjedd?

Trådene har laget en liten luftspeiling, slik som når imaginære vannpytter dirrer over asfalten en het sommerdag.

Det vi ser, er refleksjoner. Refleksjoner av himmel over asfalten, og refleksjoner av veggen bak teppet av nanotynne tråder i laboratoriet. Effekten oppstår fordi trådene blir hete.

Luftspeiling

Det er ikke uten grunn at luftspeilinger forbindes med ørkenvandrere i Sahara, eller varme sommerdager i Norge. Sola varmer sanden, eller asfalten på veien.

Sanden eller asfalten varmer opp lufta i et tynt lag rett over. Het luft er tynnere, lettere, mindre tett enn kaldere luft. Det betyr at den bryter lyset annerledes.

Hvis lysstrålene kommer tilstrekkelig skrått inn, brytes ikke lenger lyset fra himmelen videre nedover. Det reflekteres isteden. Fenomenet kalles totalrefleksjon. (Se figur)

Prinsippet for totalrefleksjon. Til venstre: En lysstråle kommer i bratt vinkel ned i tynnere, varmere luft, og avbøyes til litt mindre bratt vinkel. Midten: Innkommende lysstråle kommer inn mindre bratt, og den avbøyde blir enda mindre bratt enn dette igjen, slik at den er akkurat parallell med bakken. Til høyre: Innkommende lysstråle har enda mindre bratt vinkel, og totalrefleksjon oppstår istedenfor bøyning. (Foto: (Figur: Per Byhring, forskning.no))
Prinsippet for totalrefleksjon. Til venstre: En lysstråle kommer i bratt vinkel ned i tynnere, varmere luft, og avbøyes til litt mindre bratt vinkel. Midten: Innkommende lysstråle kommer inn mindre bratt, og den avbøyde blir enda mindre bratt enn dette igjen, slik at den er akkurat parallell med bakken. Til høyre: Innkommende lysstråle har enda mindre bratt vinkel, og totalrefleksjon oppstår istedenfor bøyning. (Foto: (Figur: Per Byhring, forskning.no))

Den dirrende pølen av totalreflektert himmel kan se ut som liflig vann for den tørste ørkenvandrer.

Og nå har altså forskere fra University of Texas at Dallas laget et tynt, varmt lag foran hete karbontråder i laboratoriet.

Forskerne har lært seg å temme luftspeilingene i laboratoriet. Eller rettere sagt: Vannspeilinger.

Vannspeilinger

- De tusen ganger høyere tetthetene til flytende stoffer gjør dem til et mye nyttigere medium for å frambringe store avbøyningsvinkler, skriver Ali Aliev, lederen for forskergruppen, i artikkelen i tidskriftet Nanotechnology.

Det betyr i praksis at totalrefleksjon kan oppstå i vann ved større vinkler enn i luft.

Derfor synes luftspeilinger bare på stor avstand: Skrå lysstråler treffer det varme luftlaget (rødt) over bakken, og totalreflekteres (blå piler). Når bakken er nærmere, vil strålene treffe i brattere vinkel, og avbøyes isteden for å totalreflekteres (gule piler). (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no/forskning.no)
Derfor synes luftspeilinger bare på stor avstand: Skrå lysstråler treffer det varme luftlaget (rødt) over bakken, og totalreflekteres (blå piler). Når bakken er nærmere, vil strålene treffe i brattere vinkel, og avbøyes isteden for å totalreflekteres (gule piler). (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no/forskning.no)

Den samme forskjellen mellom luftspeiling og vannspeiling kan vi også se i naturen. Ørkenvandrerens luftspeilinger er alltid langt unna, ytterst mot horisonten, akkurat som himmelpyttene over den norske asfalten.

Det kommer av at lysstrålene fra himmelen må treffe den tynne, varme lufta i en veldig skrå vinkel for at luftspeilingen skal oppstå.

Når du kommer nærmere, ser du for bratt ned, og fenomenet forsvinner.

 (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)
(Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)

Men under vann er det annerledes. Fra undervannsfilmer kjenner de fleste til hvordan vannflaten over dykkerne ser ut som et speil. Vannet har mye større tetthet enn lufta over, så her oppstår totalrefleksjon ved mye brattere synsvinkler opp mot vannflaten.

Derfor har forskerne senket hele eksperimentet i vann.

Leder varme

Nanorørene som de hete trådene er laget av, er ørtynne sylindre av karbonatomer i et sekskantet mønster, som hønsenetting.

Disse nanorørene har mange fantastiske egenskaper. De er mye lettere enn stål, og over 300 ganger sterkere. Men enda viktigere for forskerne fra University of Texas er hvor raskt de kan varmes opp.

- Vi vil vise at den høye effektiviteten i avbøyning av lysstrålen kommer av den ualminnelig høye termiske interaksjonen mellom nettverket av karbon nanorør og omgivelsene, skriver Aliev i artikkelen i Nanotechnology.

Lynraske strømsvingninger i nanorørene gir like lynraske temperatursvingninger. Og den store kontaktflaten mellom nanorørene og materialet rundt overfører temperatursvingningene til det tynne vannlaget rundt.

Som igjen blir tetthetsvariasjoner. Som igjen gir varierende avbøyning av lysstrålen. Og denne raske responsen kan være nyttig, blant annet i såkalte optiske deflektorer.

Nanonettingen med elektrisk oppvarming avslått til venstre, og påslått til høyre. (Foto: Ali Aliev, University of Texas at Dallas)
Nanonettingen med elektrisk oppvarming avslått til venstre, og påslått til høyre. (Foto: Ali Aliev, University of Texas at Dallas)

Fiberoptikk

En optisk deflektor kan avbøye en lysstråle. Ved å vri lysstrålen fram og tilbake kan den hakke lyset opp i korte blink, eller lyspulser.

Slike lyspulser kan sende store mengder data gjennom glasstråder som leder lys. Trådene kalles også fiberoptiske kabler. Også her brukes totalrefleksjon for å holde lyset inne i ledningen. (Se figur)

I en fiberoptisk ledning av glass er tettheten i glasset større enn lufta utenfor. Så lenge lysstrålene treffer glassvinklene i slak vinkel, vil de totalreflekteres fra vegg til vegg, også når glassfiberen bøyes. (Foto: (Figur: Per Byhring, forskning.no))
I en fiberoptisk ledning av glass er tettheten i glasset større enn lufta utenfor. Så lenge lysstrålene treffer glassvinklene i slak vinkel, vil de totalreflekteres fra vegg til vegg, også når glassfiberen bøyes. (Foto: (Figur: Per Byhring, forskning.no))

Nanorørene kan brukes for å gjøre slike optiske deflektorer raskere. Og igjen ligger hemmeligheten i heten. Her er ingen bevegelige deler med mekanisk treghet, bare temperatursvingninger.

Het lyd

Men temperatursvingningene i vann eller luft kan ikke bare brukes til å avbøye lys. De kan også brukes til å lage lyd, blant annet i sonar under vann, og høyttalere i luft.

- Disse arkene av nanorør er av betydelig interesse for høyttalere, (…) og det er antatt at denne undersøkelsen av fototermisk avbøyning vil hjelpe til med å optimalisere ytelsen til slike anvendelser, slutter artikkelen til Aliev og kollegene hans.

For hva er lyd, annet enn svingninger i lufttettheten? Det er akkurat hva disse membranene av nanorør lager.

Med andre ord: Direkte fra strømsvingninger i forsterkeren til lydsvingninger i lufta, uten andre bevegelige og trege deler, som spolene og membranene i vanlige høyttalere.

Slike termoakustiske høyttalere er foreslått tidligere, men da i mye mindre format. Siden membraner av nanorør er så sterke, kan de strekkes ut over mye større flater. Og sammen med den gode evnen til å lede og overføre varme gir det stor effekt fra den dypeste bass til den lyseste overtone.

- Temperaturen synkroniseres med elektrisk strøm over et bredt frekvensområde, fra 1/1000 til 100 000 svingninger i sekundet, skriver Aliev.

Og denne øverste grensen er fem ganger lysere enn selv ørene til et nyfødt barn kan høre.

Referanse:

Ali E. Aliev, Yuri N. Gartstein og Ray H. Baughman: Mirage effect from thermally-modulated transparent carbon nanotube sheets, Nanotechnology, 4. oktober
 

Powered by Labrador CMS