Naukowcy odkryli nowatorską metodę, dzięki której światło można zakrzywiać wokół przeszkód – inspiracją była obserwacja, jak chmury rozpraszają światło słoneczne. Odkrycie to może prowadzić do przełomów w dziedzinach takich jak obrazowanie medyczne, chłodzenie elektroniki, a nawet projektowanie reaktorów jądrowych.
Zespół badaczy pod przewodnictwem profesora Daniele Faccio z Uniwersytetu w Glasgow, Wielka Brytania, opisał swoją fascynację tym zjawiskiem, które wcześniej nie zostało dostrzeżone. Mechanizm ten opiera się na zasadzie podobnej do tej, jaka zachodzi w przypadku chmur, śniegu lub innych białych materiałów, które pochłaniają światło. Gdy fotony docierają do powierzchni takiego materiału, są rozpraszane we wszystkich kierunkach, nie wnikając głęboko w jego strukturę. Na przykład, gdy światło słoneczne uderza w górną część chmury typu cumulonimbus, odbija się od jej powierzchni, sprawiając, że wydaje się ona jasno biała. Z kolei dolna część chmury, mimo że składa się z tych samych kropelek wody, wygląda na ciemniejszą, ponieważ dociera tam mniej światła.
Faccio wyjaśnia, że „światło odbija się i próbuje przeniknąć, jednak napotyka na molekuły i defekty, które powodują, że zostaje odbite z powrotem”. To właśnie ten proces rozpraszania światła – podobny do tego, co dzieje się w chmurach – naukowcy postanowili odtworzyć w kontrolowanych warunkach.
Jak to działa?
Aby zreplikować ten proces, zespół badaczy wykorzystał druk 3D do stworzenia obiektów z nieprzezroczystego białego materiału, pozostawiając w nich cienkie tunele z przezroczystej żywicy. Gdy światło zostaje skierowane na taki obiekt, wnika w tunele i jest rozpraszane, podobnie jak światło na śniegu czy w chmurach. Jednak zamiast przypadkowo rozpraszać się w każdą stronę, fotony są kierowane z powrotem do tunelu z żywicy przez otaczający je biały materiał. Dzięki temu możliwe jest ukierunkowanie światła w sposób zorganizowany, co stanowi ogromny krok naprzód w technologiach optycznych.
Takie obiekty 3D działają w sposób funkcjonalnie zbliżony do światłowodów, które przewodzą światło na długie dystanse poprzez wewnętrzne odbicia. W światłowodach, gdy fotony próbują opuścić jądro z tworzywa sztucznego lub szkła, napotykają materiał o niższym współczynniku załamania światła, co powoduje ich odbicie z powrotem do środka. W ten sposób światło może być przenoszone na znaczne odległości, nawet zakręcając wokół przeszkód.
Nowe możliwości zastosowania
Zespół badaczy zauważył, że ich materiał zwiększa efektywność transmisji światła o ponad dwa rzędy wielkości w porównaniu z solidnymi blokami bez przezroczystych tuneli. Co więcej, pozwala on na kierowanie światła wokół zakrętów, co w tradycyjnych technologiach optycznych jest wyzwaniem. Choć rozwiązanie to nie jest tak wydajne jak światłowody, które mogą przesyłać światło na kilometry, jest znacznie prostsze i tańsze w produkcji.
Technologia ta mogłaby znaleźć zastosowanie w medycynie, gdzie istnieją już naturalne kanały z przezroczystych materiałów, jak ścięgna czy płyny w rdzeniu kręgowym, co otwiera nowe perspektywy w obrazowaniu medycznym. Faccio podkreśla, że ten sam mechanizm może być wykorzystany do kierowania ciepła i neutronów, co mogłoby znaleźć zastosowanie w inżynierii, na przykład w systemach chłodzenia lub w konstrukcji nowoczesnych reaktorów jądrowych.
Niespodziewane odkrycie
Faccio przyznaje, że zespół był zaskoczony, że metoda ta działa. „Nie było oczywiste, że to w ogóle zadziała. Byliśmy w szoku”, mówi. Co ciekawe, według niego zjawisko to mogło zostać odkryte już dziesiątki, jeśli nie setki lat temu. „To nie tak, że odkryliśmy jakąś niszową, skomplikowaną teorię z egzotycznymi właściwościami”, dodaje, sugerując, że fenomen ten może być bardziej powszechny, niż dotychczas sądzono.
Odkrycie to otwiera nowe możliwości zarówno w dziedzinie technologii optycznych, jak i w szerszym spektrum inżynierii, gdzie zjawisko rozpraszania światła, ciepła czy neutronów może przynieść rewolucyjne zmiany.
