เลเซอร์ ‘เหมือนจริง’ สามารถจัดระเบียบตัวเอง ปรับโครงสร้าง และร่วมมือกัน

ด้วยการเลียนแบบคุณลักษณะของระบบสิ่งมีชีวิต เลเซอร์ที่จัดระเบียบตัวเองอาจนำไปสู่วัสดุใหม่สำหรับการตรวจจับ การคำนวณ แหล่งกำเนิดแสง และการแสดงผล

อนุภาคขนาดเล็กรวมตัวกันรอบๆ อนุภาคเจนัส เส้นประแสดงพื้นที่ lasing และเส้นสีชมพู/เหลืองแสดงรอยทางของอนุภาคขนาดเล็กหลายตัว

16 กรกฎาคม 2022 อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน

แม้ว่าวัสดุเทียมหลายชนิดจะมีคุณสมบัติขั้นสูง แต่ก็มีหนทางอีกยาวที่จะผสมผสานความเก่งกาจและการทำงานของวัสดุมีชีวิตที่สามารถปรับให้เข้ากับสถานการณ์ได้ ตัวอย่างเช่น ในร่างกายมนุษย์ กระดูกและกล้ามเนื้อจะจัดโครงสร้างและองค์ประกอบใหม่อย่างต่อเนื่องเพื่อให้น้ำหนักและระดับของกิจกรรมเปลี่ยนแปลงไปได้ดีขึ้น

ตอนนี้ นักวิจัยจากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนและมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนได้สาธิตอุปกรณ์เลเซอร์ที่จัดระเบียบได้เองตามธรรมชาติเครื่องแรก ซึ่งสามารถกำหนดค่าใหม่ได้เมื่อสภาวะต่างๆ เปลี่ยนไป

นวัตกรรมที่รายงานใน Nature Physicsจะช่วยให้สามารถพัฒนาวัสดุโฟโตนิกอัจฉริยะที่สามารถเลียนแบบคุณสมบัติทางชีววิทยาได้ดีขึ้น เช่น การตอบสนอง การปรับตัว การรักษาตัวเอง และพฤติกรรมโดยรวม

ศาสตราจารย์ Riccardo Sapienza หัวหน้าทีมวิจัยจากภาควิชาฟิสิกส์ที่ Imperial กล่าวว่า “เลเซอร์ซึ่งขับเคลื่อนเทคโนโลยีส่วนใหญ่ของเรา ได้รับการออกแบบจากวัสดุที่เป็นผลึกเพื่อให้มีคุณสมบัติที่แม่นยำและคงที่ เราถามตัวเองว่าเราสามารถสร้างเลเซอร์ที่มีความสามารถในการผสมผสานโครงสร้างและการทำงาน เพื่อกำหนดค่าตัวเองใหม่และให้ความร่วมมือเหมือนวัสดุชีวภาพ

“ระบบเลเซอร์ของเราสามารถกำหนดค่าใหม่และร่วมมือกันได้ จึงเป็นก้าวแรกสู่การจำลองความสัมพันธ์ที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาระหว่างโครงสร้างและฟังก์ชันการทำงานตามแบบฉบับของวัสดุที่มีชีวิต”

เลเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่ขยายแสงเพื่อสร้างแสงรูปแบบพิเศษ เลเซอร์ประกอบตัวเองในการทดลองของทีมประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่กระจายตัวในของเหลวที่มี ‘อัตราขยาย’ สูง ซึ่งเป็นความสามารถในการขยายแสง เมื่อรวบรวมอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้เพียงพอแล้ว พวกมันจะสามารถควบคุมพลังงานภายนอกเพื่อ ‘เลเซอร์’ – ผลิตแสงเลเซอร์ได้

ใช้เลเซอร์ภายนอกเพื่อทำให้อนุภาค ‘เจนัส’ ร้อนขึ้น (อนุภาคที่เคลือบด้านหนึ่งด้วยวัสดุดูดซับแสง) ซึ่งอนุภาคขนาดเล็กรวมตัวกันอยู่รอบๆ เลเซอร์ที่สร้างขึ้นโดยกลุ่มอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้สามารถเปิดและปิดได้โดยการเปลี่ยนความเข้มของเลเซอร์ภายนอก ซึ่งจะควบคุมขนาดและความหนาแน่นของคลัสเตอร์

ทีมงานยังแสดงให้เห็นว่าคลัสเตอร์ lasing สามารถถ่ายโอนในอวกาศได้อย่างไรโดยให้ความร้อนกับอนุภาค Janus ต่างๆ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวของระบบ อนุภาคของ Janus ยังสามารถทำงานร่วมกันได้ โดยสร้างคลัสเตอร์ที่มีคุณสมบัตินอกเหนือจากการเพิ่มสองคลัสเตอร์อย่างง่าย เช่น การเปลี่ยนรูปร่างและเพิ่มพลังการลาก

ดร.จิออร์จิโอ โวลเป หัวหน้าทีมวิจัยจากภาควิชาเคมีของ UCL กล่าวว่า “ในปัจจุบันนี้ เลเซอร์ถูกใช้ในทางการแพทย์ โทรคมนาคม และการผลิตภาคอุตสาหกรรมด้วย การรวมตัวของเลเซอร์ที่มีคุณสมบัติเหมือนจริงจะช่วยให้สามารถพัฒนาวัสดุและอุปกรณ์แห่งอนาคตที่ทนทาน ทำงานอัตโนมัติ และทนทาน สำหรับการใช้งานการตรวจจับ การคำนวณแบบไม่ธรรมดา แหล่งกำเนิดแสงและจอแสดงผลแบบใหม่”

ต่อไป ทีมงานจะศึกษาวิธีปรับปรุงพฤติกรรมอิสระของเลเซอร์เพื่อให้ดูสมจริงยิ่งขึ้น การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีครั้งแรกอาจเป็นหมึกอิเล็กทรอนิกส์ยุคหน้าสำหรับสมาร์ทดิสเพลย์