石墨烯折纸可作为机械可调谐的等离子体结构用于红外探测。

WPA6021602IMG士兵经常需要透过烟雾、雾气、灰尘或任何其他空气遮蔽物,并在现场或前线检测毒素或其他化学物质的存在。为了识别这些化学物质,他们使用红外线(IR)传感器和光谱学,这允许特定颜色的光在与每个化学物质相对应的特定频率下发光。识别每种化学物质都需要士兵用独特的过滤器涂抹护目镜,使化学标记能够以特定的频率(即,特定的颜色)通过。

然而,伊利诺伊大学的研究人员已经成功地开发出一种由石墨烯制成的可调谐红外滤光片,这将允许一个士兵简单地通过过滤器的可控机械变形(即石墨烯折纸)来改变过滤器的频率,而不是通过更换。护目镜上用来过滤特定颜色光谱的物质。

这项研究是由空军科研办公室资助的,它不仅对不同红外波长敏感而且对机械可控和可调谐的传感器感兴趣。结果发表在一篇题为“机械可重构的石墨烯用于可调谐等离子体共振”的论文中:科学与应用。

这一应用是另一个发现的“神奇材料”石墨烯的一系列发现,SungWu-No,伊利诺伊大学机械科学与工程助理教授在厄本那香槟分校。

“通常,当你把石墨烯放在衬底上时,它是非常透明的,只吸收大约百分之三的光,”Nam说。在某些角度,你可以看到它。我们利用这种多功能性,使其他结构像石墨烯那样具有柔性和透明的传感器。

因为它是一个原子薄,石墨烯通常在平的时候使用。NAM的研究团队问了一个问题:如果通过折纸(折纸艺术),你会皱起石墨烯会发生什么?你能通过改变它的形貌来改变石墨烯的性能吗?

根据Na,科学家们以前还没有尝试过这种想法,因为它们是脆的,不能弯曲而不会断裂。石墨烯的独特之处在于它不仅薄,而且具有弹性,这意味着它在弯曲时不容易断裂。

“假设我们通过机械变形产生石墨烯褶皱,”Nam说,“如果你得到了一定的尺寸,那么光被石墨烯吸收的方式会有什么变化吗?”我们想把皱纹石墨烯的尺寸与它的光学吸收联系起来。

NAM的研究团队发现,事实上,皱纹石墨烯通过等离子体共振来吸收不同的结构和尺寸,从而产生不同的颜色。此外,与纸相比,纸在折叠或揉搓后不易被压扁,可以重新拉伸石墨烯,使其变平和无皱褶。不仅如此,光吸收的量可以被改变约10倍。

“通过改变形状,你可以通过控制等离子体共振条件来吸收不同频率的光,”该论文的第一作者Pilgyu Kang现在是乔治梅森大学机械工程系的助理教授。通过机械地控制石墨烯皱纹的高度和波长,我可以激发不同的表面等离子体激元,从而吸收不同的频率。在一天结束的时候,你得到一个可调的过滤器。

通过选择石墨烯作为红外护目镜的滤光片,用户可以转动旋钮来机械拉伸和压缩石墨烯,从而允许吸收光波长的变化。因此,作为其应用的一个例子,士兵可以容易地将石墨烯过滤器调谐到期望的波长以匹配他/她正在寻找的化学品的类型。

“在传统的过滤器中,一旦你制作了过滤器,你就完成了,”Nam总结道。无论大小,都有一个独特的光波长。用石墨烯,取决于你拉伸和释放的程度,你可以用不同的光波长进行通讯。

这项工作是基于与Kyoung Ho Kim博士和Hong Gyu Park教授在高丽大学的国际合作,并得到AFOSR和国家科学基金会的支持。

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