Cristalli Fotonici: Nuove Frontiere Nella Stampa 3D con Bandgap Completo
I cristalli fotonici sono materiali con strutture interne ripetitive che interagiscono con la luce in modi particolari. Esempi naturali di questi materiali si possono trovare negli opali e nei gusci di alcuni insetti dalle vivaci colorazioni. Sebbene questi cristalli siano composti da materiali trasparenti, presentano una caratteristica nota come “bandgap fotonico,” che blocca la luce a determinate lunghezze d’onda e direzioni. Una variante particolare di questo fenomeno è il “bandgap fotonico completo,” che impedisce il passaggio della luce da tutte le direzioni, consentendo un controllo preciso della luce stessa. Questo apre nuove possibilità di avanzamento in settori come le telecomunicazioni, i sensori e le tecnologie quantistiche. Di conseguenza, la ricerca scientifica si è concentrata su metodi per creare questi cristalli fotonici avanzati.
Mentre i cristalli fotonici 1D e 2D sono già utilizzati in varie applicazioni, la produzione di cristalli fotonici 3D con un bandgap completo nella gamma visibile è stata finora una sfida complessa, soprattutto per la necessità di un controllo preciso su scala nanometrica in tutte e tre le dimensioni durante il processo di fabbricazione.
Una Svolta nella Produzione di Cristalli Fotonici 3D
Questa situazione è destinata a cambiare. In uno studio pubblicato su Nature Nanotechnology dal titolo “Printing of 3D photonic crystals in titania with complete bandgap across the visible spectrum,” un team di ricercatori provenienti da Singapore e Cina ha raggiunto un risultato senza precedenti. Guidato dal Professor Joel Yang della Singapore University of Technology and Design (SUTD), il gruppo ha sviluppato un metodo innovativo per stampare cristalli fotonici 3D utilizzando una resina a base di titanio personalizzata.
Questo nuovo metodo ha permesso di ottenere cristalli ad alta risoluzione, con un indice di rifrazione elevato e un bandgap completo che copre l’intero spettro della luce visibile. Questa innovazione potrebbe trasformare diversi settori industriali.
“Per decenni, i ricercatori hanno tentato di produrre cristalli fotonici capaci di bloccare completamente la luce nello spettro visibile. Questi cristalli potrebbero essere utilizzati per il controllo elaborato del flusso luminoso in 3D, per il comportamento degli emettitori di singoli fotoni e per il processamento delle informazioni quantistiche,” ha spiegato il Dr. Zhang Wang, ricercatore presso la SUTD e primo autore dell’articolo.
Tecniche Avanzate di Fabbricazione
Il team della SUTD ha utilizzato competenze in diverse discipline, tra cui la scienza dei materiali, l’ottica e le tecniche di fabbricazione, per creare questi cristalli fotonici 3D. La stampa è stata realizzata tramite litografia a polimerizzazione bifotonica (TPL), una tecnica impiegata nella manifattura additiva. Le resine commerciali usate in questo tipo di stampa sono generalmente organiche e hanno un basso indice di rifrazione, il che rende impossibile bloccare l’intero spettro della luce visibile.
D’altro canto, il biossido di titanio, noto anche come titania, è un materiale inorganico con un indice di rifrazione molto elevato. Questo materiale è già sfruttato in altri campi per le sue proprietà ottiche: “È utilizzato per le sue proprietà sbiancanti dovute alla dispersione della luce da parte delle particelle di titania e si trova in oggetti di uso comune come dentifrici, creme solari e superfici autopulenti,” ha commentato il Prof. Yang.
Il team ha prima sviluppato una resina a base di titanio su misura, poi ha stampato i cristalli fotonici usando la TPL standard, sottoponendoli infine a un processo di riscaldamento per rimuovere i componenti organici. Questo processo ha anche ossidato gli ioni di titanio all’interno dei cristalli, trasformandoli in biossido di titanio, cioè titania.
Risultati e Applicazioni Future
Dopo aver realizzato con successo cristalli fotonici con una risoluzione molto elevata, il team ha osservato un bandgap fotonico completo nello spettro visibile all’interno di queste strutture 3D. Ciò apre la strada a numerose applicazioni, come la generazione di colori e le guide d’onda. Inoltre, la personalizzabilità della TPL consente di modificare i cristalli per scopi specifici, introducendo ad esempio difetti intenzionali nelle strutture.
Il team di ricerca prevede applicazioni ancora più ampie oltre alla creazione di cristalli fotonici 3D. Lo sviluppo di questa tecnica di stampa 3D, utilizzando resine a base di titanio per ottenere un bandgap fotonico completo nello spettro visibile, rappresenta un passo significativo nel campo della fotonica.
Secondo il Dr. Zhang, questo processo ha il potenziale per diventare una piattaforma versatile per la fabbricazione di diversi materiali, tra cui vetro, ceramiche e metalli, su scala nanometrica. Questa versatilità potrebbe aprire nuove strade di esplorazione, con i ricercatori che sperimentano diverse configurazioni di materiali e nanostrutture.
“Questo studio collaborativo ha spinto i confini della scienza dei materiali e del design dei processi di nanofabbricazione,” ha aggiunto il Prof. Yang. “Riflette anche la missione della SUTD di combinare più discipline per avere un impatto positivo sulla società.”
