Dado que el Premio Nobel de Física fue otorgado por la investigación sobre el grafeno en 2010, Los materiales bidimensionales (nanohojas con espesor atómico) han sido un tema candente en la ciencia. Este importante interés se debe a sus destacadas propiedades, que tienen un enorme potencial para una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, combinado con fibras ópticas, Los materiales 2-D pueden permitir aplicaciones novedosas en las áreas de sensores, óptica no lineal, y tecnologías cuánticas.

Sin embargo, La combinación de estos dos componentes ha sido hasta ahora muy laboriosa. Típicamente, las capas atómicamente delgadas tenían que producirse por separado antes de transferirlas manualmente a la fibra óptica. Junto con colegas australianos, Los investigadores de Jena ahora han tenido éxito por primera vez en el cultivo de materiales 2-D directamente sobre fibras ópticas. Este enfoque facilita significativamente la fabricación de tales híbridos. Los resultados del estudio se publicaron recientemente en la reconocida revista de ciencia de materiales. Materiales avanzados .

Crecimiento a través de un procedimiento tecnológicamente relevante

"Integramos dicalcogenuros de metales de transición, un material 2-D con excelentes propiedades ópticas y fotónicas, cuales, por ejemplo, interactúa fuertemente con la luz, en fibras de vidrio especialmente desarrolladas, "explica el Dr. Falk Eilenberger de la Universidad de Jena y el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión (IOF) en Alemania." A diferencia del pasado, no aplicamos la hoja de medio nanómetro de espesor manualmente, pero lo cultivó directamente sobre la fibra, "dice Eilenberger, especialista en el campo de la nanofotónica. "Esta mejora significa que el material 2-D se puede integrar en la fibra más fácilmente y a gran escala. También pudimos demostrar que la luz en la fibra de vidrio interactúa fuertemente con su revestimiento". El paso hacia una aplicación práctica del nanomaterial inteligente así creado ya no está muy lejos.

El éxito se ha logrado gracias a un proceso de crecimiento desarrollado en el Instituto de Química Física de la Universidad de Jena, que supera los obstáculos anteriores. "Analizando y controlando los parámetros de crecimiento, identificamos las condiciones en las que el material 2-D puede crecer directamente en las fibras, "dice el profesor Andrey Turchanin, experto en materiales 2D de Jena, explicando el método basado en técnicas de deposición química de vapor (CVD). Entre otras cosas, una temperatura de más de 700 grados Celsius es necesaria para el crecimiento del material 2-D.

Plataforma de material híbrido

A pesar de esta alta temperatura, las fibras ópticas se pueden utilizar para el crecimiento directo de CVD:"El vidrio de cuarzo puro que sirve como sustrato soporta las altas temperaturas extremadamente bien. Es resistente al calor hasta 2, 000 grados Celsius, "dice el profesor Markus A. Schmidt del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica, quien desarrolló las fibras. "Su pequeño diámetro y flexibilidad permiten una variedad de aplicaciones, "añade Schmidt, quien también tiene una cátedra de fibra óptica en la Universidad de Jena.

La combinación de material 2-D y fibra de vidrio ha creado una plataforma de material inteligente que combina lo mejor de ambos mundos. "Debido a la funcionalización de la fibra de vidrio con el material 2-D, la longitud de interacción entre la luz y el material ahora se ha incrementado significativamente, "dice el Dr. Antony George, que está desarrollando el método de fabricación de los nuevos materiales 2-D junto con Turchanin.

Sensores y convertidores de luz no lineales

El equipo prevé aplicaciones potenciales para el sistema de materiales recientemente desarrollado en dos áreas particulares. Primeramente, la combinación de materiales es muy prometedora para la tecnología de sensores. Podría ser usado, por ejemplo, para detectar bajas concentraciones de gases. Para tal fin, a green light sent through the fiber picks up information from the environment at the fiber areas functionalised with the 2-D material. As external influences change the fluorescent properties of the 2-D material, the light changes color and returns to a measuring device as red light. Since the fibers are very fine, sensors based on this technology might also be suitable for applications in biotechnology or medicine.

En segundo lugar, such a system could also be used as a non-linear light converter. Due to its non-linear properties, the hybrid optical fiber can be employed to convert a monochromatic laser light into white light for spectroscopy applications in biology and chemistry. The Jena researchers also envisage applications in the areas of quantum electronics and quantum communication.

Exceptional interdisciplinary cooperation

The scientists involved in this development emphasize that the success of the project was primarily due to the exceptional interdisciplinary cooperation between various research institutes in Jena. Based on the Thuringian research group "2-D-Sens" and the Collaborative Research Centre "Nonlinear Optics down to Atomic Scales" of Friedrich Schiller University, experts from the Institute of Applied Physics and Institute of Physical Chemistry of the University of Jena; the University's Abbe Center of Photonics; the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF; and the Leibniz Institute of Photonic Technology are collaborating on this research, together with colleagues in Australia.

"We have brought diverse expertise to this project and we are delighted with the results achieved, " says Eilenberger. "We are convinced that the technology we have developed will further strengthen the state of Thuringia as an industrial center with its focus on photonics and optoelectronics, " adds Turchanin. A patent application for the interdisciplinary team's invention has recently been filed.