20 december 2023

Högfrekventa terahertzvågor har stor potential att i framtiden ersätta röntgenundersökningar och användas i rymdforskning bland annat. Forskare vid Linköpings universitet har 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.

Halvmåneformad svart aerogel med vattendroppar.
Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat en aerogel vars absorption av terahertzsignaler kan slås av och på genom en redox-reaktion. Aerogelen är utformat för att vara vattenavstötande vilket gör att dropparna lägger sig ovanpå materialet. Thor Balkhed

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.Laser lyser på svart aerogel.Den ledande aerogelen baserad på cellulosa och polymerer testas i ett optiskt mätinstrument. Foto Thor Balkhed 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 och det behövs dessutom material som kan ta emot och justera genomsläppligheten av terahertzvågorna.

Aerogel som filter

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.Två personer i labbrockar och ansiktsmaski i ett labb.Qilun Zhang, förste forskningsingenjör, och Chaoyang Kuang, postdoktor, vid Laboratoriet för organisk elektronik. Foto Thor Balkhed

– 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.

Hållbara tillämpningar

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.Ett finger trycker ihop en svart svamp (aerogel).Aerogelerna i denna studie är elastiska. Det innebär att den kan återställa formen efter varje tryckning. Foto Thor Balkhed 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.

Närbild av aerogel.Förstorad bild av aerogelen som visar makrostrukturen med olika porer. Ingridienserna PEDOT:PSS och cellulosa var jämnt fördelade i aerogelen. Foto Thor Balkhed 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.

Två pipetter sprutar ut vätskor som blandas på en skiva.När den blå vätskan med PEDOT:PSS blandas med den klara cellulosalösningen inleds processen som bildar aerogelen. Aerogeler tillverkas med just vattenbaserade lösningar och enkla tillverkningsprocesser, vilket ger stora möjligheter för hållbar produktion i stor skala till låg kostnad. Foto Thor Balkhed

Kontakt

Forskningsmiljö

Senaste nytt från LiU

Tre personer i labbrock står och pratar.

Bättre neutronspeglar kan avslöja materiens inre hemligheter

Med bättre neutronspeglar kan effektiviteten vid materialanalyser i neutronkällor bli högre. Den förbättrade spegeln har LiU-forskare utvecklat genom att belägga en kiselplatta med tunna lager av järn och kisel blandat med borkarbid.

Ensamt barn i silhuett.

Riktlinjer saknas kring barn som utsatts för sexövergrepp

Hälften av 34 undersökta länder i Europa saknar riktlinjer för hur barn som utsatts för sexuella övergrepp ska få hälsovård och behandling. Ett av dem är Sverige. Det visar en studie som gjorts vid Linköpings universitet.

Person intervjuas och pratar om sin avhandling

Sigrid blev dubbeldoktor - vid 26 års ålder

En lång men också väldigt rolig resa, så beskriver Sigrid Nilsson sin tid som forskarstuderande vid Forskarlinjen. För nu har hon disputerat och kan därmed både blicka framåt och bakåt på sin forskning.