Projekti / Programi
Metamateriali na osnovi tekočekristalnih koloidov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
mehka snov, tekoči kristali, metamateriali, koloidi, fotonika
Raziskovalci (11)
Organizacije (2)
Povzetek
Fotonika in nadzor nad tokom svetlobe je danes zelo hitro razvijajoče se področje z ambicioznimi znanstvenimi in tehnološkimi cilji, kot so optično računalništvo, hiter prenos podatkov, energijska učinkovitost ter procesi za merjenje in proizvodnjo, ki pokrivajo vsebine od področjih medicinske znanosti do vesoljske tehnologije. In razvoj novih neobičajnih optičnih materialov je v samem vrhu prizadevanj na teh področjih, saj novi materiali omogočajo nove ter boljše mehanizme in možnosti uporabe svetlobnih polj. V tem projektu s področja fotonike mehke snovi predlagamo razvoj novih optičnih materialov – nematskih tekočih metamaterialov – in študij njihovih fotonskih pojavov z uporabo eksperimentalnih in teoretično-modelskih pristopov. Cilj je ustvariti izbrane primere metamaterialov in raziskati njihove glavne fotonske funkcije. Osnova teh novih tridimenzionalnih mehkih metamaterialov bodo prevodni koloidni delci in delci s prevodno površino, ki jih bomo oblikovali v tridimenzionalne oblike kot so prizme, ploščice ali votli delci, in bodo kot resonatorji z ločenim krogom zagotavljali anizotropen metamaterialen odziv. Takšni delci bodo razpršeni v nematsko tekočino, ki bo delovala kot tekoča matrika za samo-sestavljanje delcev, z edinstvenimi lastnosti kot so prostorska in časovna nastavljivost, topološke vezi in dobra odzivnost na zunanja polja. Praktično vsi sodobni prikazovalniki temeljijo na enostavnem zunanjem vplivu na dvolomnost nematskih tekočin, ki izvira iz orientacijskega reda anizotropnih molekul, dolgoročna vizija tega projekta pa je pretvoriti te ideje v dvolomne metamateriale s pozitivnimi in negativnimi (lastnimi) lomnimi količniki, in sicer na osnovi samo-sestavljenih super-struktur koloidnih delcev v nematski tekočini. S primerno zasnovo koloidnega metamateriala, vključno z (i) obliko, velikostjo in simetrijo delcev, (ii) elastičnostjo nematika in (iii) fukcionalizacijo površin, želimo izdelati nastavljive metamateriale z negativno dielektričnostjo in permeabilnostjo pri frekvencah od THz in optičnih do infrardeče svetlobe. Z znanstvenega vidika bodo zlasti pomembna vprašanja o: (i) povezavi med simetrijo struktur in metamaterialnim odzivom, (ii) pomenu 3D optične anizotropije metamaterialov z možnostjo dvojnega negativnega loma, (iii) hierarhičnem oblikovanju metamaterialov z več velikostnimi skalami – vse vroča in zanimiva vprašanja na špici raziskav fotonike mehkih snovi. Razviti metamateriali bodo tekoči, prožni in polimerizabilni – odvisno od zahtev – kar je velik napredek od današnjih tipično trdnih metamaterialov. Projekt bomo izvedli v skupini za mehko snov v Ljubljani, ki je znana po skupnem teoretičnem in eksperimentalnem delu na visokem znanstvenem nivoju – objave, povezane s tem projektom vključujejo Nature Phys. 2015, Nature Mater. 2014, Science 2011 in Nature Photon. 2009. Raziskovalno delo v okviru tega projekta je močno povezano z mednarodnimi raziskovalnimi krogi in vključuje sodelovanje z univerzami Colorado, Oxford, Ghent, Mahindra Ecole Centrale in laboratorijem USA AFRL. Socialno-ekonomski vpliv projekta vključuje popularizacijo znanosti, doprinos k odličnosti Slovenije v svetovnem merilu in prispevek novega znanja o fotoniki v slovensko industrijo. Splošneje je projekt usmerjen v sam vrh fotonske znanosti, k ustvarjanju novih znanstvenih in tehnoloških pristopov za manipulacijo toka svetlobe na mikroskopskem in makroskopskem nivoju.
Pomen za razvoj znanosti
Fotonika je danes svetovno priznana kot eno ključnih znanstvenih in tehnoloških področij prihodnosti, z nedavnimi potrditvami kot so Mednarodno leto svetlobe 2015, izpostavitev fotonike v EU Horizontu 2020 kot Key Enabling Technology in Nobelovih nagrad iz fizike in kemije 2014, ki sta bili podeljeni na temo svetlobe in manipulacije svetlobe. Predlagamo ambiciozen raziskovalni projekt, ki je v vrhu modern znanosti mehkih materialov in fotonike in ki lahko odpre izrazito drugačne pristope k osrednjim fotonskim elementom, kot npr. novi materiali za transformacijsko optiko, optična stikala na osnovi negativnega loma, več-frekvenčna optična stikala in svetlobni modulatorji. Projekt bo razvil nove metamaterialne tekočine, pomembno z negativnim lomnim količnikom, ter raziskal njihov fotonski odziv. Posebnega znanstvenega pomena in konceptulange napredka bodo vprašanja: (i) kakšna je povezava med simetrijami struktur in njihovim metamaterialnim fotonskim odzivom, (ii) kako se izraža 3D optična anizotropija metamaterialov z možnim dvojno negativnim lomom in (iii) kakšen je fotonski odziv več-skalnih hierarhičnih metamaterialov - kar so vse odprta in “vroča” znanstvena vprašanja na svetovnem nivoju. Razviti metamateriali bodo tekoči, gibljivi, po potrebi polimerizabilni in inherentno nastavljivi, kar so materialne lastnosti daleč preko današnjega stanja znanosti in tehnike metamaterialov, ki se danes tipično ustvarjajo z litografskimi tehnikami kot rigidni sloji. Po našem vedenju ni druge skupine, ki bi imela potrebno znanje iz samo-sestavljanja mehkih superstruktur in izhajajoče fotonike za obravnavanje in razvoj tako konceptualno drugačnih materialov in fotonike– in to tako eksperimentalno kot teoretično-. Projekt bo uporabljal tudi najnaprednejše metodološke pristope, kot so dvosmerno sklopljeno modeliranje interakcij svetlobe in nemtskega polja, eksperimetnalno Nanoscribe tehnologijo za ustvarjanje geometrijske modalnosti in skupno integriran optični sistem nastavljivih kontinuumskih laserjev, optične pincete in spektrometrov. Splošneje je ta projekt usmerjen v vrh moderne fotonike in fotonike prihodnosti, s ciljem ustvariti nove znanstvene in tehnološke smeri za nadzor toka svetlobe na mikroskopskem in makroskopskem nivoju.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt bo imel večplastni neposredni pomen za družbo in gospodarstvo.
Človeški viri – študenti: Ambiciozne raziskovalne cilje projekta bomo uporabili za učenje odličnosti in kreativnosti v sodelujočih študentih (diplomskih in doktorskih), kar je neposreden prispevek k rasti človeškega potenciala v Sloveniji kot tudi po svetu. Verjamemo, da bodo znanstveno odlične raziskave v Ljubljani in ob močnem stalnem sodelovanju s tujimi partnerji dodatno motivirale slovenske dijake in študente, da se bodo odločali za univerzitetni študij iz področja naravoslovja, kar je natanko v skladu s slovensko in EU Strategijo o razvoju visokega šolstva [1]. Še posebej bomo z možnim delom na projektu spodbujali slabše zastopane skupine, kar je v slovenskem fizikalnem okolju v prvem pritegnitev deklet k znanstvenemu delu.
Družbena infrastruktura Slovenije kot del EU: Eden od neposrednih prispevkov našega dela bo tako k družbeni infrastrukturi, posebej h kvaliteti povezanega univerzitetnega izobraževanja in odličnosti sodelujočih slovenskih raziskovalnih inštitucij. Starejši in tudi mlajši člani projektne skupine so praviloma tesno vpeti v učenje različnih dodiplomskih in podiplomskih predmetov in pa tudi drugih institucionalnih aktivnosti (na FMF UL in na IJS), in bodo tako lahko neposredno prispevali k odličnosti institucij. Kot izkaz zavezanosti znanstveni odličnost naj omenimo, da je bil Ravnik (čeprav mlajši sodelavec akademskega zbora) imenovan za člana Komisije za kakovost učiteljske, znanstvene in delovne prakse na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani.
Za konkretna podjetja: V povezavi s tem projektom smo kontaktirali direktorja dveh osrednjih slovenskih fotonskih podjetij FOTONA d.d. in BALDER d.o.o. član Kimberly-Clark, ki izražata podporo projektu. Vsebina projekta je neposredno in posredno povezana z njihovimi vsebinami dela ter ekonomsko in razvojno strategijo. To povezavo s podjetji bomo lahko tako uporabili kot neposredno pot za možno komercializacijo rezultatov, ki bodo izšli iz iz projekta.
Za gospodarstvo Slovenije in EU: Delo na projektu bo možno privedlo tudi do prijav patentov iz področja mehkih metamaterialov in fotonike. V povezavi z vsebinami projekta smo vzpostavili zanimivi sodelovanji z izbranima nizozemsko in italijansko skupino, ki imajo zanimive povezave s fotonskimi podjetji v njihovih državah.
Diseminacija: Rezultate projekta bomo predstavili tako znanstveni kot tudi splošni javnosti (v Sloveniji in mednarodno), posebej s pisanjem znanstvenih in splošnih strokovnih prispevkov, kot tudi motivacijskih video-klipov in vpisov v družabna omrežja. Člani projektne skupine tudi redno letno predavajo na slovenskih gimnazijah in srednjih šolah, kar bo nadaljnji neposredni prispevek k diseminaciji rezultatov.
[1] http://ec.europa.eu/education/lifelonglearningpolicy/doc/report08/higher_en.pdf
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
