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Cuando se permite que un rayo de luz atraviese un material birrefringente, se divide en dos rayos que tienen polarización plana en planos mutuamente ortogonales o polarización circular en direcciones opuestas. La birrefringencia controlable es muy deseable para promover su uso en aplicaciones ópticas y biomédicas.
![Nuevo método para ajustar la orientación de nanocristales de celulosa](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39528_16599702828269954.jpg)
Estudio: Patrones birrefringentes programables mediante la modulación de la orientación localizada de nanocristales de celulosa. Crédito: Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista ACS Applied Materials and Interfaces demostró un enfoque para ajustar la alineación de los nanocristales de celulosa con una orientación controlable con precisión localizada. En este enfoque, se permitió que los nanocristales de celulosa unidimensionales (1D) se alinearan a lo largo de la periferia de la plantilla y la línea de contacto trifásica controlada por evaporación.
Esta alineación ajustó la orientación localizada de los nanocristales de celulosa, lo que resultó en la formación de películas de nanocristales de celulosa con la capacidad de mostrar patrones de absorbancia birrefringentes dependientes de la luz polarizada.
Las películas de nanocristales de celulosa ayudaron a lograr diseños de patrones versátiles cuando se usaron con plantillas de diferentes formas y conjuntos de plantillas con diferentes diseños. Debido a la modulación localizada de los nanocristales de celulosa, las películas mostraron diseños dinámicamente transformables de patrones de birrefringencia polarizados y dependientes del ángulo.
También se ha demostrado la construcción de un sistema de codificación N-ario basado en películas de nanocristales de celulosa transparentes a la luz del sol, que se han utilizado para el almacenamiento de información rica. Bajo luz polarizada, estos sistemas mostraron patrones de extinción visibles que enriquecen el campo de la fotónica de base biológica.
Materiales birrefringentes y el fenómeno de la birrefringencia
La propagación de una luz incidente a través de los materiales ópticamente anisotrópicos da como resultado que la luz se divida en dos haces que vibran ortogonalmente (haces ordinarios y extraordinarios) con diferentes índices de refracción y velocidades de transmisión. La recombinación de estos rayos ordinarios y extraordinarios en una diferencia de fase llamada retardo provoca interferencia constructiva o destructiva.
Debido a su papel esencial en la modulación de la polarización de la luz, los materiales birrefringentes son objeto de investigación académica e industrial y se utilizan en la industria del láser, las comunicaciones ópticas, la polarimetría y los instrumentos científicos.
Los materiales técnicos bioinspirados con propiedades birrefringentes se utilizan en los campos de los sensores, la óptica y la protección contra falsificaciones. Sin embargo, los materiales birrefringentes actualmente disponibles están hechos por deformación uniaxial de estructuras anisotrópicas. La fabricación de estructuras con birrefringencia controlable con precisión localizada es un desafío debido al control ineficaz de la orientación de la estructura localizada.
Se ha informado que las suspensiones celulósicas acuosas son birrefringentes cuando los cristales se alinean magnética, eléctrica o mecánicamente. Además, los nanocristales de celulosa en forma de aguja son intrínsecamente anisotrópicos y se consideran materiales birrefringentes prometedores.
Aunque se han aplicado varios enfoques para mejorar sus propiedades ópticas quirales, incluido el confinamiento geométrico basado en canales microfluídicos, la alineación eléctrica y magnética, el estiramiento mecánico y el ensamblaje conjunto con partículas inorgánicas o polioles. Pocos informes mencionaron estructuras birrefringentes celulósicas.
Patrones birrefringentes programables utilizando nanocristales de celulosa
En el presente trabajo, los materiales birrefringentes con patrones de extinción programables se construyeron alineando los nanocristales de celulosa intrínsecamente anisotrópicos a través de una alineación restringida en una plantilla diferente y una línea de contacto trifásica controlada.
Las películas de nanocristales de celulosa resultantes variaron en tamaño desde micro hasta un milímetro con nanocristales de celulosa alineados con precisión con orientación ajustable localmente. En comparación con otros materiales birrefringentes, las películas de nanocristales de celulosa obtenidas mostraron diseños de absorbancia birrefringentes versátiles, colores de interferencia y patrones transformados dinámicamente según el ángulo de polarización.
El autoensamblaje restringido por plantilla de películas de nanocristales de celulosa modificada reveló su disposición en formas triangulares, circulares, cuadradas, de trébol y hexagonales, lo que demuestra el patrón de extinción de la cruz de Malta. Girar estas películas no cambió la posición ni la intensidad de la cruz de Malta, lo que indica la orientación centrosimétrica de los nanocristales de celulosa modificados.
Al explotar los patrones de absorbancia programados bajo luz polarizante y la transparencia de las películas de nanocristales de celulosa bajo la luz solar, se construyó el sistema de codificación N-nary, que muestra las aplicaciones prometedoras de las películas de nanocristales de celulosa en información y visualización.
Conclusión
En resumen, se fabricó una película birrefringente de tamaño micro con patrones de absorbancia programables y colores de interferencia basados en la alineación de nanocristales de celulosa modificados por evaporación en una plantilla. Los nanocristales de celulosa modificados se alinearon estrictamente a lo largo de la periferia de la plantilla y la línea de contacto trifásica, lo que resultó en películas con nanocristales anisotrópicos con orientación modulada localmente.
Dependiendo de la forma de cada plantilla, se obtuvieron patrones de extinción cruzados malteses personalizados con lados curvos y ángulos inclinados. Además, se obtuvieron diseños de absorbancia complejos y detallados con patrones birrefringentes al alinear los nanocristales de celulosa modificados sobre las matrices de plantillas. Además, los patrones podrían transformarse en diferentes diseños simplemente girándolos.
Las ventajas de los patrones de extinción programados bajo luz polarizada y la transparencia de las películas de nanocristales de celulosa bajo la luz solar ayudaron a desarrollar un sistema de codificación N-nario para la codificación de información. Por lo tanto, el enfoque basado en plantillas para fabricar materiales ópticos basados en nanocristales de celulosa con propiedades de birrefringencia ajustables contribuyó al campo de la fotónica de base biológica.
Relación
Wang H, Shao R, Meng X, He Y, Shi Z, Guo Z, Ye C (2022) Patrones birrefringentes programables mediante la modulación de la orientación localizada de los nanocristales de celulosa. AInterfaces y materiales aplicados CS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12205
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