Superlätt material kan bli nyckel för framtidens terahertz-teknik

Högfrekventa terahertzvågor har stor potential att i framtiden ersätta röntgenundersökningar och användas i rymdforskning bland annat. Forskare vid Linköpings universitet har, i en studie publicerad i Advanced Science, visat att genomsläppligheten av terahertzstrålning genom en aerogel gjord av cellulosa och en ledande polymer kan regleras. En viktig egenskap för att kunna låsa upp fler användningsområden för terahertzvågor.

Terahertzområdet är de våglängder som ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus på det elektromagnetiska spektrumet och har en väldigt hög frekvens. Tack vare det menar många forskare att terahertzvågor har stor potential att användas inom bland annat rymdforskning, säkerhetsteknik och kommunikationssystem. Inom medicinsk avbildning kan det vara ett intressant som ersättare för röntgenundersökningar i och med att vågorna kan gå igenom de flesta icke-ledande material utan att skada någon vävnad.

Men det finns ett antal teknologiska hinder innan terahertzsignaler kan användas på bred front. Bland annat är det svårt att skapa terahertzstrålning på ett effektivt sätt. Det behövs dessutom material som kan ta emot och justera genomsläppligheten av terahertzvågorna.

Nu har forskare vid Linköpings universitet utvecklat ett material vars absorption av terahertzsignaler kan slås av och på genom en redox-reaktion. Materialet är en aerogel, som är ett av världens lättaste fasta material.

– Det är som ett justerbart filter för terahertzvågor. I ena läget kommer den elektromagnetiska signalen inte absorberas och i det andra läget kan den det. Den egenskapen kan vara användbar för långväga signaler som från rymden eller radarsignaler, säger Shangzhi Chen, postdoktor vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, vid Linköpings universitet.

Linköpingsforskarna använde en ledande polymer, PEDOT:PSS, och cellulosa för att skapa sin aerogel. De har dessutom utformat aerogelen med tillämpningar utomhus i åtanke. Den är både vattenavstötande (hydrofob) och kan frostas av med hjälp av solens värme.

Ledande polymerer har många fördelar jämfört med andra material som använts för att skapa justerbara material. Bland annat är de biokompatibla, hållbara och har en stor förmåga att justeras. Reglerbarheten kommer från möjligheten att ändra laddningstätheten i materialet. Den stora fördelen med cellulosa är den relativt billiga produktionskostnaden jämfört med andra liknande material och att det är ett förnybart material vilket är en nyckel för hållbara tillämpningar.

– Genomsläppligheten för terahertzvågor inom ett brett frekvensområde kunde regleras från mellan cirka 13% och 91% med vårt material, vilket är en mycket hög reglerbarhet, säger Chaoyang Kuang, postdoktor vid LOE.

Studien finansierades bland annat av Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning, Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Wood Science Centre samt via den svenska regeringens strategiska satsning på nya funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikeln: Switchable Broadband Terahertz Absorbers Based on Conducting Polymer-Cellulose Aerogels; Chaoyang Kuang, Shangzhi Chen, Min Luo, Qilun Zhang, Xiao Sun, Shaobo Han, Qingqing Wang, Vallery Stanishev, Vanya Darakchieva, Reverant Crispin, Mats Fahlman, Dan Zhao, Qiye Wen, Magnus P. Jonsson; Advanced Science, publicerad online 23 november 2023. DOI: 10.1002/advs.202305898

Fakta: Terahertzområdet är de våglängder som ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus på det elektromagnetiska spektrumet. Vågorna har en bredd på mellan 0,1 och 1 millimeter och frekvensen ligger på som lägst 0,3 terahertz och som högst 30 terahertz. 1 terahertz innebär att 1000 miljarder vågor skickas eller tas emot på en sekund.

Kontakt

Shangzhi Chen, postdoktor, shangzhi.chen@liu.se, 011-36 34 90

Chaoyang Kuang, postdoktor, chaoyang.kuang@liu.se, 011-36 34 67

Magnus Jonsson, professor, magnus.jonsson@liu.se, 011-36 34 03