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石墨烯微泡:完美的透镜

发布:bianxl    |    2020-10-12 21:23    阅读:514
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石墨烯微泡:完美的透镜

“小”气泡可以解决“大”问题——直径约1到50微米的微小气泡有着非常广泛的应用:微泡可以用于输送药物、膜清洗、生物膜控制和水处理等,在微流体混合、喷墨打印、逻辑电路等微系统设备以及光子学光刻和光学谐振器等设备中也发挥着重要作用,同时对生物医学成像和DNA捕获和操纵等领域也有着不容忽视的贡献。

鉴于微泡的一系列广泛应用,科学家们发明了一系列制备微泡的方法,包括将空气压缩溶于液体中,使用超声波在水中制备气泡,以及使用激光照射浸在液体中的基质等。但这些方法产生的气泡的分布不可控,且不稳定。

斯威本科技大学转化原子材料中心创办负责人Baohua Jia教授说:“在那些要求高精度的气泡位置和大小、高稳定性的实验中(比如在光学成像和光陷捕获等光子学应用中),以高位置精度制造出大小、曲度可控且稳定的气泡,是非常必要的。” Jia教授还解释道,目前非常需要一种可与当前处理技术兼容的技术制造出可控、稳定的微泡,以将气泡集成到生物或光子平台应用中去。

石墨烯“气球”

斯威本科技大学的Jia教授及其同事近期与新加坡国立大学、罗格斯大学、墨尔本大学、蒙纳士大学的研究者们合作,发明了一种使用激光照射在玻璃表面上产生可精准操控的石墨烯微泡的方法。该结果发表在Advanced Photonics上。

图1 原位光学显微图像,展示了微泡产生和消除的过程

图1 原位光学显微图像,展示了微泡产生和消除的过程

该小组使用的是氧化石墨烯材料,由涂有氧官能团的石墨烯薄膜组成。由于气体无法穿透氧化石墨烯材料,因此研究人员使用激光局部照射氧化石墨烯薄膜产生气体,并将其封装在薄膜内,形成类似气球的微气泡。斯威本大学高级研究员、论文第一作者Han Lin解释说:“以这种方式产生的微泡,位置可以由激光很好地控制,而且可以随意产生和消除。同时,可通过激光辐射面积和辐射功率来控制气体的数量,可以达到较高的精度。”所产生的高质量气泡可用于对精度要求较高的先进光电、微机械设备中。

研究人员发现,由于氧化石墨烯薄膜具有高度均匀性,产生的微气泡具有完美的球面曲率,可以用作凹面反射透镜。研究人员在文中使用了凹面反射透镜进行了聚焦光线测试,论文中的结果显示,透镜所呈现的焦点形状非常完美,甚至可以用作显微镜成像的光源。

Lin解释说,反射透镜也能够将不同波长的光聚焦在同一个焦点上,而不会出现色差。团队演示了微泡对超宽波段白光的聚焦,光源覆盖可见光到近红外范围,结果显示微泡具有同样的高性能。此项结果将在小型显微镜和光谱学中起到重要作用。

Jia教授表示,该研究“为随心所欲制备高度可控的微泡提供了一条新途径,未来有望将石墨烯微泡作为动态、高精度的高精度纳米光子组件,集成到微系统设备中,将在高分辨率光谱和医学成像方面发挥出巨大的应用潜力。”

文章题为“Near perfect microlenses based on graphene microbubbles”。

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