Καθοδηγώντας το φως

Από σελίδα της NASA, Ιούλιος 2003

Ένα νέο είδος πλάκας γυαλιού, που περιέχει υγρά σταγονίδια κρυστάλλου, μπορεί να καθοδηγήσει και να χειριστεί τις ακτίνες του φωτός.

Η Εποχή της Πληροφορίας εξαρτάται από ακτίνες προσεκτικά ελεγχόμενου φωτός. Και επειδή τα λέιζερ είναι υπεύθυνα για τη μετάδοση των πληροφοριών, στις αρτηρίες των σύγχρονων επικοινωνιακών δικτύων, ο επιδέξιος χειρισμός αυτής της ακτινοβολίας υποστηρίζει και τις δύο καθοριστικές τεχνολογίες της εποχής μας: Τις τηλεπικοινωνίες και το Διαδίκτυο.

Τώρα όμως ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν αναπτύξει έναν νέο τρόπο για να καθοδηγήσουν και να χειριστούν τις ακτινοβολίες.

Χρησιμοποιώντας σταγονίδια υγρών κρυστάλλων -- η ίδια ουσία που βρίσκεται στις οθόνες των laptop -- οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν ένα πλακάκι γυαλιού να μεταστρέφεται γρήγορα από διαφανές σε διαθλαστικό και το αντίστροφο. Όταν το πλακάκι είναι διαφανές τότε μια ακτίνα λέιζερ μπορεί να περνά κατ' ευθείαν μέσα από αυτό, αλλά όταν είναι διαθλαστικό, διαχωρίζει την ακτίνα, που 'λυγίζει' σε διάφορες νέες κατευθύνσεις.

Η αλλαγή αυτή της ιδιότητας του γυαλιού προκαλείται με την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου, έτσι οι ιδιότητες της πλάκας θα μπορούσαν εύκολα να ελεγχθούν από τα ηλεκτρικά σήματα ενός υπολογιστή, που προσφέρει ένα νέο ισχυρό τρόπο για να καθοδηγηθούν οι ακτίνες του φωτός.

"Οι τηλεπικοινωνίες θα μπορούσαν να είναι μια εφαρμογή αυτών των πλακιδίων, αλλά σε αυτό το στάδιο ακόμα παρατηρούμε τις βασικές ιδιότητες αυτών των σταγονιδίων. Η δυνατότητά τους είναι μεγάλη, και είναι δύσκολο να φανταστεί κάποιος όλους τους τρόπους με τους οποίους μπορούν οι μηχανικοί να τις χρησιμοποιήσουν", λέει ο Δαβίδ Weitz, καθηγητής της εφαρμοσμένης φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και επικεφαλής επιστήμονας για την  έρευνα που υποστηρίζεται από τη NASA.

Πέρα από τις τηλεπικοινωνίες η καθοδήγηση του φωτός είναι χρήσιμη και στην αστρονομία. Παραδείγματος χάριν, αυτά τα πλακάκια υγρών κρυστάλλων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν αντιστρόφως, για να συνδυάσουν (παρά να διαχωρίσουν) τις ακτίνες του φωτός από τα πολλαπλά τηλεσκόπια. Συνδυάζοντας το φως που συλλέγεται από πολλά τηλεσκόπια, μια τεχνική που ονομάζεται συμβολομετρία, μπορούμε να ψάχνουμε για απόμακρους πλανήτες γύρω από άλλα αστέρια.

Μια άλλη εφαρμογή είναι και η εξής: ένα πλακάκι υγρών κρυστάλλων μπροστά από το κάτοπτρο ενός τηλεσκοπίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξουδετερώσει το τρεμούλιασμα του φωτός των άστρων, που δημιουργείται όταν αυτό περνάει μέσω της γήινης ατμόσφαιρας. Τέτοια προσαρμοστικά οπτικά τηλεσκόπια θα μπορούσαν να πάρουν μια καθαρή εικόνα του ουρανού από τη γήινη επιφάνεια.

Γι' αυτές τις πολλές χρήσεις της πλάκας υγρών κρυστάλλων η NASA αποφάσισε πρόσφατα να βραβεύσει τον Weitz και τους συναδέλφους του. Επιπλέον, η NASA μπορεί να παρέχει ένα μοναδικό περιβάλλον για τον πειραματισμό με τα υγρά κρύσταλλα: αυτό με τη χαμηλή βαρύτητα.

Μάλιστα υπήρξε και ένα πολύ πρόσφατο επιτυχημένο ερευνητικό πρόγραμμα του Weitz, στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS).

Όλα τα σταγονίδια είναι ίσου μεγέθους

Τα υγρά κρύσταλλα είναι μια κλάση των υγρών, τα μόρια των οποίων είναι περισσότερη τακτοποιημένα από τα μόρια στα κανονικά ρευστά. Λόγω αυτής της κανονικότητας, όταν αλληλεπιδρούν αυτά τα υγρά με το φως, μπορούν να επιδρούν στο φως όπως και τα κρύσταλλα.

Δεξιά: Τα σταγονίδια των υγρών κρυστάλλων στα πειράματα της ομάδας του Χάρβαρντ, είναι ίσου μεγέθους και διευθετούνται με ένα κανονικό τρόπο.

Μια τεχνική, που βρέθηκε από τον Weitz και τους συναδέλφους του, παράγει ομοιόμορφα σταγονίδια υγρού κρυστάλλου, πλάτους δώδεκα μικρών του μέτρου (ένα μικρό είναι ένα χιλιοστό του ενός χιλιοστού). Επειδή έχουν όλα το ίδιο μέγεθος, το πακετάρισμα των σταγονιδίων μαζί σε μια πλάκα γυαλιού τα βοηθάει να διευθετηθούν προς ένα κυψελωτό σχήμα.

Και αυτό το κανονικό σχήμα είναι που δίνει στις σταγόνες των υγρών κρυστάλλων την ικανότητα να καθοδηγούν  το φως.

Η παραγωγή των σταγονιδίων των υγρών κρυστάλλων δεν είναι κάτι το νέο. Η βασική τεχνολογία ήταν γνωστή από τα μέσα της δεκαετίας του '80. Σήμερα μπορείτε να βρείτε τέτοια σταγονίδια στα παράθυρα των γραφείων. Με ένα διακόπτη, τα διαφανή παράθυρα του γραφείου αλλάζουν μαγικά προς αδιαφανή τοιχώματα όπως περίπου είναι και το παγωμένο γυαλί.

"Η μεγάλη διαφορά μεταξύ αυτού που κάνουμε τώρα και αυτού που έχει γίνει πριν, είναι ότι τα παλιά πλακάκια του γυαλιού περιέχουν μια τυχαία κατανομή των σταγονιδίων και των μεγεθών τους -- άλλα είναι μικροσκοπικά και άλλα μεγάλα. Δεν διατάσσονται όλα κανονικά", εξηγεί ο Darren Link, ένας από τους επιστήμονες στην ερευνητική ομάδα.

Χωρίς οποιαδήποτε τάξη στο μέγεθος και το μεταξύ τους διάστημα, αυτά τα παλαιότερα συστήματα υγρών κρυστάλλων διασκορπίζουν απλά το φως προς όλες τις κατευθύνσεις -- όπως κάνει και το παγωμένο γυαλί.

"Στην περίπτωσή μας, επειδή κάνουμε όλες τις σταγόνες να έχουν το ίδιο μέγεθος, είμαστε σε θέση να οδηγήσουμε το φως προς συγκεκριμένες κατευθύνσεις", λέει ο Link.

Τα μόρια σε ένα κρύσταλλο υγρών σταγόνων είναι μακριά και διαμορφωμένα σαν ράβδοι. Ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να καθοδηγήσει αυτές τις ράβδους (όπως ένα μαγνητικό πεδίο μετακινεί μια βελόνα της πυξίδας) και ελέγχει έτσι τον τρόπο πως οδηγούνται οι ακτίνες του φωτός που περνούν ανάμεσά τους.

Η έλλειψη βαρύτητας απλοποιεί πολύ την παραγωγή τρισδιάστατων δομών από ρευστά σταγονίδια. Τα μικροσκοπικά σταγονίδια έχουν μια διαφορετική πυκνότητα από το υγρό μέσα στο οποίο υποβάλλονται. Στη Γη είτε θα επιπλεύσουν είτε θα βυθιστούν, κάτι το οποίο περιπλέκει πολύ τη διευθέτησή τους σε ένα καθορισμένο σχήμα. Σε ένα εργαστήριο όμως που είναι σε τροχιά, η έλλειψη της άνωσης και της πλευστότητας βοηθάει τα σταγονίδια να παραμείνουν αιωρούμενα, επιτρέποντας έτσι στους ερευνητές να εξερευνήσουν πολλούς σχηματισμούς, που θα ήταν δύσκολο ή αδύνατο να δημιουργηθούν στο έδαφος.

Ο Weitz λέει ότι σκοπεύουν να σχεδιάσουν ένα πείραμα στο διάστημα που θα γίνει στον ISS. Όμως απαιτείται περισσότερη έρευνα και στη Γη για να καταλάβουν οι επιστήμονες τη βασική φυσική αυτών των σταγονιδίων -- πώς αποκρίνονται στην εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου, και με ποιο τρόπο ακριβώς αυτές οι αποκρίσεις στο πεδίο έχουν επιπτώσεις στο διερχόμενο φως.