全球首个自组织激光器诞生，有助于制造自愈型智能光子材料

2022-07-19 16:16

通常而言，许多人造材料都具有各自的先进性能，但它们要结合活体材料的多样性和功能性以适应后者的具体情况。例如，在人体中，骨骼和肌肉不断重组其结构和组成，以更好地维持不断变化的体重和活动水平。

近日，来自英国伦敦帝国理工学院和伦敦大学学院的研究人员从这种理念中获得灵感，并展示了全球第一个可以自发实现自组织的激光装置，它可以在条件改变时进行重新配置。

研究团队指出，这一创新将有助于智能光子材料的发展——这类材料能够更好地模拟生物物质的特性，如响应性、适应性、自愈合和集体行为。

上图显示了微粒聚集在Janus粒子周围的情景。虚线部分为激光照射区域，粉色/黄色的线则显示了几个微粒的轨迹。（图片来源：伦敦帝国理工学院）

当下，为我们的大多数技术提供动力的激光器，通常是由晶体材料设计的，且具有精确和静态的特性。而上述研究团队则突发奇想，希望打造出一种能够混合结构和功能的激光器，使之能像生物材料那样重新配置自己并进行协作。

研究报告的合著者之一、帝国理工学院物理系的里卡多·萨皮恩扎（Riccardo Sapienza）教授表示：“我们的激光系统可以重新配置和协作配合，这将为模仿生物材料的结构和功能之间不断进化的联系打下基础。”

通常而言，激光器可以定义为一种能够通过放大光以产生特殊形式光的装置。该团队实验中的自组装激光器，由分散在液体中的微粒组成，具有高增益（放大光的能力）。一旦足够多的这些微粒聚集在一起，它们就可以利用外部能量受激而产生激光。

在他们的实验过程中，一个外部激光被用来加热一个“Janus”粒子(一种一面涂有吸光材料的粒子)，微粒在它周围聚集。这些微粒团产生的激光可以通过改变外部激光的强度来打开和关闭，而外部激光的强度反过来又控制了微粒团的大小和密度。

此外，该团队还展示了激光集群如何通过加热不同的Janus粒子在空间中传输，从而证明了该系统的适应性。“Janus”粒子也可以互相协作，创造出比简单添加两个粒子更有特性的粒子簇，比如改变它们的形状和增强它们的激光功率。

来自伦敦大学学院化学系的共同主要作者Giorgio Volpe博士表示：“如今，激光在医学、电信和工业生产中已经得到了广泛使用。而具有仿生特性的激光器，将有助于开发坚固、自主、持久的下一代传感应用材料和设备、非常规计算、新型光源和显示器。”

接下来，研究小组将研究如何改善激光的自主行为，使它们更加灵动逼真。据悉，该技术可能将首次应用于智能显示器的下一代电子墨水。

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