Mokslininkai pagamino koloidinį tirpalą, kuris turi įdomių savybių – gali greitai keisti spalvą dėl įvairių tiek vidinių, tiek išorinių poveikių: magnetinio lauko, temperatūros, cheminių priedų ar pH – vandenilio jonų koncentracijos pokyčių.
Jis gali atspindėti labai plačią šviesos bangų spektro dalį – visą regimąjį spektrą, taip pat dalį ultravioletinių ir infraraudonųjų spindulių spektro, o atspindimos šviesos spalvą galima valdyti.
Toks spalvų moduliacijos diapazonas yra kol kas pats plačiausias tarp visų žinomų medžiagų, tiek skystojo būvio, tiek ir kietojo.
Šį skystį mokslininkai pavadino fotoniniu vandeniu, nes daugiau nei 99,5 procentų jo tūrio – paprastas vanduo.
Šio reiškinio paslaptis – suderintos dvi priešingos savybės – netvarkingas molekulių išsidėstymas skysčiuose ir tvarkingas išsidėstymas, kuris būdingas kietiesiems kūnams.
Tai prieštarauja iki šiol vyravusiai nuomonei, kad fotoninės medžiagos, kurių atspindimos šviesos spalvą galima keisti, gali būti tik kietosios.
Mokslininkai tokį unikalų mišinį išgavo atsitiktinai, mėgindami iš tirpalo išskirti tik tam tikro dydžio daleles, naudodami centrifūgą. Nors šis eksperimentas buvo nesėkmingas, tyrėjus nustebinto, kad vieno eksperimento metu vanduo nusidažė ryškia purpurine spalva.
Pasirodė, kad mišinys buvo ypatingas – jame egzistavo dvi priešingos struktūros – tiek chaotiškai išsidėsčiusios vandens molekulės, tiek ir tvarkingai, tarsi kristale, išsidėsčiusios į vandenį įdėtos nanometrų dydžio titanato (TiNS) dalelės.
Be to, nanodalelių išsidėstymo periodas buvo labai didelis – 675 nanometrų, daug kartų viršijantis vandens molekulės dydį, kuris yra apie 3 angstremai, arba 0,3 nanometro. Šis 675 nanometrų periodas tarp nanodalelių lemia, kad toks skystis atspindi 1750 nm bangos ilgį (tai infraraudonoji šviesa). Tačiau, kas įdomiausia, pasirodė, kad atstumą tarp nanodalelių galima keisti, ir taip pakeisti ir atspindimos šviesos ilgį. Ir ne tik infraraudonajame, bet ir visame matomame diapazone, kuris yra apytikriai nuo 700 nm iki 400 nm, ir net iki 370 nm, o tai jau ultravioletinė šviesa.
Šis valdomas 370 nm – 1750 nm atspindėtos šviesos diapazonas yra pats plačiausias tarp visų iki šiol žinomų medžiagų, tiek skysto, tiek ir kieto būvių.
Koloidinio tirpalo charakteristikų ir jo atspindimos šviesos matavimų rezutatai.
Pasirodė, kaip taip vandenį pakeitė du aktyvūs priedai – 0,75 nm storio titanato nanoplokštelės ir amonio katijonai (teigiami jonai).
Titanato nanoplokštelės yra netirpios, ir vandenyje sudaro koloidinę dispersiją – pasklinda tolygiai visame vandens tūryje.
Tačiau šios medžiagos vandeniui suteikia savybių, kurių dar nebuvo aptikta jokiame kitame koloidiniame tirpale.
Titanato nanoplokštelės turi neigiamą krūvį, todėl jos stipriai stumia viena kitą.
Šią elektrostatinės stūmos jėgą gali sumažinti ar ir visai panaikinti teigiami amonio jonai.
Tačiau centrifūgavimo metu ir buvo pastebėta, kad iš tirpalo atskyrus dalį amonio jonų, tirpalas tapo purpurinės spalvos.
Pasirodė, kad tai atsitiko dėl to, kad titanato nanoplokštelės tuomet išsidėstė tvarkingai, tarsi kristale – skystyje atsirado kita struktūra, su tvarkingai periodiškai gana dideliais atstumais išsidėsčiusiomis dalelėmis. Ir tuomet vanduo ėmė visai kitaip atspindėti šviesą – raudoname ir infraraudoname diapazonuose.
Paprastas vanduo neturi tokios savybės, jo molekulės yra mažos ir išsidėsčiusios chaotiškai. Vanduo atspindi tik šviesos bangas, kurių ilgis yra daug trumpesnis nei matomo spektro, todėl vanduo atrodo skaidrus.
Pasirodė, kad atstumus tarp nanoplokštelių galima pakeisti – pavyzdžiui, pastačius koloidinį tirpalą į stiprų magnetinį lauką, dėl kurio pasikeičia titanato nanoplokštelių išsidėstymo kryptis. Atstumus galima pakeisti ir pašildžius ar atšaldžius tirpalą, pakeitus teigiamų ar neigiamų jonų koncentraciją – tai padidina ar sumažina elektrostatinę stūmos jėgą tarp dalelių. Net maži rūgštingumo (pH) pokyčiai gali keisti tirpalo spalvą nuo raudonos (pH 7,9) iki žalios (pH 7,7) ir iki mėlynos (pH 7,3).
Fotoninės medžiagos, kurios atspindi artimojo infraraudonojo diapazono šviesą, yra svarbios telekomunikacijų technologijose, tačiau jas labai sunku pagaminti. Todėl fotoninis vanduo gali turėti ir svarbią reikšmę optoelektronikoje.
Tokį tirpalą nesudėtinga pagaminti, o atspindimą šviesą lengva moduliuoti, ir įvairiomis priemonėmis – magnetiniais laukais, temperatūros ar cheminės sudėties pokyčiais.
Todėl tokia medžiaga gali tikti įvairiausiems optoelektronikos prietaisams – optiniams jutikliams, infraraudonosios šviesos filtrams, kintamo dažnio lazeriams.
Mokslininkai tikisi, kad šis netikėtas atradimas padės surasti ir naujų medžiagų, leidžiančių moduliuoti atspindimą šviesą, ir ne tik koloidiniuose tirpaluose.
https://youtu.be/89ZZ2xc1ZWQ
Fotoninio vandens lašas. K. Sano et al. © 2016 Nature Communications
Koki Sano et al. „Photonic water dynamically responsive to external stimuli.“ Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms12559
Daugiau:
Skysto metalo valdymo tyrimai gali lemti naujas technologijas
Filtras, galintis praleisti tik viena kryptimi krintančią šviesą