TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (II)

Im Juli 2010 veröffentlichen Xiang Zhang und sein Team am kalifornischen Lawrence Berkeley National Laboratory einen Bericht über die Konstruktion eines nur 100 nm großen, lichtbetriebenen Nanomotors in Form einer Swastika. Dieser besteht aus einem auf Gold basierenden Metamaterial und ist in eine 300 nm dicke, quadratische Mikroplatte aus Siliziumdioxid (SiO₂) eingebettet.

Der winzige Motor funktioniert wie die 1873 von William Crookes erfundene Lichtmühle (o. Lichtrad), bei der sich ein bewegliches Flügelrad in einer Glaskugel zu drehen beginnt, sobald  die einseitig geschwärzten Plättchen des Rades dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Im Gegensatz zu dem traditionellen Vorbild dreht sich die Nanolichtmühle, wenn sie Laserlicht ausgesetzt wird, wobei Geschwindigkeit und Richtung der Drehung durch Manipulieren der Frequenz dieses Lichts verändert werden können.

Metalle enthalten Plasmonen, Oberflächenwellen, die durch ihre Leitungselektronen rollen. Die Stärke der Kraft, die durch Licht auf eine metallische Nanostruktur ausgeübt wird, kann erhöht werden, wenn die Frequenz der Lichtwellen mit jener der Plasmonen mitschwingt. Das Metamaterial wurde speziell entwickelt, um diese Wirkung zu maximieren. Bei früheren Versuchen mußten derartige Motoren viel größer sein, um überhaupt einen Drehmoment zu erzeugen, da sie die Wechselwirkung zwischen den Photonen und Plasmonen nicht nutzen.

Am verblüffendsten ist den Forschern zufolge, daß schon eine einzelne Mühle genügend Drehmoment erzeugen kann, um eine mikrometergroße Siliciumdioxidscheibe zu drehen, deren Volumen 4.000 mal größer ist als das der Nanomühle selbst. Außerdem läßt sich das Drehmoment durch Anbringen mehrerer Mühlen stark erhöhen – und eine Scheibe mit beispielsweise vier Mühlen benötigt nur die Hälfte der Laserleistung, um die gleiche Drehzahl  zu erreichen, wie eine allein. Dies bedeutet, daß die mikroskopischen Motoren in nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) oder Nanobots zum Einsatz kommen könnten, die Aktionen wie das Auf- und Abwickeln der DNA-Doppelhelix durchführen.

Durch die Entwicklung mehrerer Motoren, die mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, aber in eine einzige Richtung arbeiten, soll nun Drehmoment aus dem breiten Bereich von Wellenlängen gewonnen werden, die im Sonnenlicht verfügbar sind. Die Forschung wird vom Departement of Energy gefördert.

Im September 2010 stellt Prof. Zhenan Bao von der Stanford University in Kalifornien die von ihr neu entwickelte dehnbare und solarbetriebene ,Superhaut’ vor, die tausendmal berührungsempfindlicher ist als menschliche Haut. Das flexible elektronische Material nutzt Polymer-Solarzellen zur Stromerzeugung, und soll in Zukunft Chemikalien und verschiedene Arten von biologischen Molekülen detektieren.

Grundlage der künstlichen Haut ist ein aus dem Silizium-haltigen, biokompatiblen Elastomer Polydimethylsiloxan (PDMS) und Kohlenstoffmaterialien hergestellter flexibler, organischer Transistor, der ohne Beeinträchtigung seiner Funktion oder Stromverlust fast ein Drittel seiner Größe gestreckt werden kann. Die Zellen behalten dabei ihre wellige Mikrostruktur, wie ein auseinander gezogenes Akkordeon, und eine flüssige Metallelektrode paßt sich der Oberfläche der Vorrichtung sowohl im entspannten als auch im gedehntem Zustand an.

Um die Berührungsempfindlichkeit zu ermöglichen, ist die PDMS-Schicht in ein Raster aus winzigen invertierten Pyramiden geformt. Das PDMS ist dafür bekannt, daß es elektrische Ladungen speichern kann, wobei sich die Speicherkapazität mit der jeweiligen Dicke meßbar ändert. Eine Veränderung der Schichtdicke ändert damit auch den Stromfluß durch den Transistor.

Je nach gewünschtem Empfindlichkeitsniveau können die Sensoren von einigen hunderttausend bis zu 25 Millionen Pyramiden pro Quadratzentimeter haben. Um die Anwesenheit von bestimmten biologischen Verbindungen zu erkennen, kann die Oberfläche des Transistors zudem mit einer Nanometer-dicken Schicht von Molekülen beschichtet werden, welche die Verbindungen an sich binden.

Die Sensorhaut  mit Energie der Sonne zu betreiben, statt mit Batterien oder dem Anschließen an das Stromnetz, vereinfacht das Design, macht es leichter und mobiler. Und daß die Solarzellen dehnbar sind, eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen wie Stoffe für Uniformen und andere Kleidung.

In zwei späteren Forschungsarbeiten vom Februar und August 2011 beschreibt Bao die dehnbaren organischen Solarzellen ausführlicher, wo sie auch nachweist, daß die Zellen so entworfen werden können, daß sie sich entlang zweier Achsen zu strecken vermögen. Außerdem wird gezeigt, wie sich das Ganze mit billigen Druckverfahren auf biegsame Flächen aufbringen läßt.

Weitere Meldungen über diese Entwicklung stammen vom November 2012, als es dem Bao-Team gelingt, die empfindsame Kunsthaut mit Selbstheilungskräften zu versehen, die Verletzungen binnen Minuten eigenständig schließen, ohne daß Strukturschäden zurückbleiben. Bei Tests ist ein durchtrennter Streifen nach Zusammenfügen innerhalb von zehn Minuten mechanisch wieder vollkommen intakt, und nach 30 Minuten entsprechen auch die elektrischen Eigenschaften wieder nahezu denen des unbeschädigten Materials. Und auch nach der fünfzigsten Runde von Verletzung und Selbstheilung hält der Streifen mechanischen Belastungen stand, als wäre nichts passiert.

Das Rezept der Kunsthaut bildet eine Kombination von Kunststoff mit Nickelteilchen, wobei die biegsame Grundsubstanz aus sogenannten Oligomeren besteht, die durch Wasserstoffbindungen an ihren Enden verknüpft sind. Werden diese beispielsweise durch einen Schnitt getrennt, reorganisiert sich der Kunststoff bei erneutem Annähern unter Raumtemperatur wieder zu einem stabilen Netzwerk.

In einem Bericht vom Oktober 2015 ist dann zu erfahren, daß in Zusammenarbeit mit dem Xerox Palo Alto Research Center nun auch der Prototyp einer Prothese mit druckempfindlicher Sensorhaut auf den Fingerspitzen entwickelt wurde, allerdings ohne daß dabei eine Licht-induzierte Stromversorgung eingesetzt wird.

Prof. Masahiro Irie und sein Team an der Rikkyo University in Tokio berichten im Oktober 2010, daß ihnen etwas gelungen sein, was Wissenschaftler schon seit langer Zeit versucht hätten, nämlich die kollektiven Bewegungen von kleinen Molekülen in nutzbare mechanische Arbeit umzuwandeln.

Die Forscher entwickeln hierfür einen freitragenden Ausleger (Freischwinger) aus Kristall, der sich bei abwechselnder Bestrahlung mit ultraviolettem bzw. sichtbarem Licht reversibel verbiegt. Wird das winzige Gebilde mit UV-Licht der Wellenlänge 365 nm bestrahlt, beugen sich dessen Kristalle weg von der Lichtquelle und werden blau. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht (> 500 nm) streckt sich der Ausleger wieder in die ursprüngliche gerade Form zurück.

Die aktuelle Studie basiert auf einer früheren Arbeit der Wissenschaftler, in der sie zeigten, daß die alternative Bestrahlung eines Kristalls mit UV- und sichtbarem Licht zu Formänderungen in den Molekülen des Kristalls führen, die eine makroskalige Formänderung des Kristallmaterials zur Folge haben können. Um in realen Anwendungen verwendet zu werden, waren die Kristalle allerdings noch zu klein und zu zerbrechlich.

Größere Festigkeit und Haltbarkeit erreicht das Team, indem es nun ein Zweikomponenten-Kokristall der Diarylethen-Gruppe in Form einer dünnen, rechteckigen Platte von 1 – 5 mm Länge, 0,2 – 1,5 mm Breite und 10 – 50 µm Dicke verwendet. Erfolgsgeheimnis ist die Mischung zweier leicht unterschiedlicher Diarylethen-Derivate im richtigen Verhältnis.

Die Wissenschaftler führen das Biegen auf eine Expansion des Kristallgitters zurück, welches durch die Formänderung der Diarylethen-Moleküle hervorgerufen wird. Der Kristall verbiegt sich weiter, bis das UV-Licht abgeschaltet wird, und behält seine gebogene Form auch im Dunkeln. In seine ursprüngliche gerade Form kehrt der Kristall erst durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht zurück, wobei auch die blaue Farbe verschwindet. Schäden an dem Kristall werden selbst nach mehr als 250 photostimulierten Biegezyklen keine beobachtet.

Wird der Ausleger liegend von unten mit UV-Licht bestrahlt, kann er Metallkugeln heben, die über 600 mal mehr wiegen als der Ausleger selbst. Die Experimente belegen, daß der Kristall-Ausleger eine starke Kraft (1,1 mN) erzeugen und große mechanische Arbeit (0,43 µJ) leisten kann.

Genau ein Jahr später, im Oktober 2010, berichtet das von der Japan Science and Technology Agency geförderte Team, daß die Kristalle inzwischen mehr als 1.000 Biegezyklen ohne Ermüdungserscheinungen überstehen und ein Gewicht heben, das mehr als 900 mal so schwer ist wie der Kristall selbst. Abhängig von der Bestrahlung ist eine sehr starke Biegung möglich, bis zur Form einer Haarnadel. Nun denkt man darüber nach, mit dem losen Ende des Kristallstäbchens durch zyklische Bestrahlung ein kleines Zahnrad in Drehung zu versetzen.

Forscher der japanischen Firma RIKEN um Takuzo Aida haben einer Meldung vom November 2010 zufolge einen Weg entdeckt, um Licht durch die Verwendung von Molekülen, die ihre Struktur ändern, wenn sie dem Licht ausgesetzt werde, in kinetische Energie zu verwandeln.

Die zwischen Teflon-Platten eingeklemmten und eingeschmolzenen Moleküle spulen sich buchstäblich auf, wenn UV-Strahlen darauf gerichtet werden. Von dem o.g. molekularen Motor, der bereits 2002 am Max-Planck-Institut für Biochemie entwickelt wurde, sowie dem Nanomotor der University of Florida aus dem Vorjahr, scheinen die Forscher aber nichts zu wissen, denn sie behaupten, daß sie die ersten sind, die eine muskelartige Bewegung in einer künstlichen Struktur im makroskopischen Maßstab vorweisen können, was nachweislich nicht stimmt.

Auch hier bildet das Molekül Azobenzol das Schlüsselelement des Polymerfilms. Die von den Forschern verwendeten ,Polymerbürsten’ bestehen aus einem Polymethacrylat-Rückgrat mit ausgestreckten Seitenketten, in denen Azobenzol-Moleküle eingefügt sind. Diese Polymerbürsten werden dann sandwichartig zwischen dünne Folien aus Teflon gepackt (also Polytetrafluorethylen, PTFE), bei 130°C eingeschmolzen und anschließend bei 115°C zu einem 5 x 6 mm großen und 10 μm dicken Film zusammengedrückt.

Bei diesem Prozeß richten sich die Polymerbürsten entlang der Teflonplatten horizontal aus. Die resultierende molekulare 3D-Ordnung ermöglicht es, daß sich das gesamte Blatt unisono erheblich verbiegt, sobald es UV-Licht (Wellenlänge: 360 nm) ausgesetzt wird. Mit sichtbarem Licht bestahlt (Wellenlänge: 480 nm) kehrt der Film in seine ursprüngliche Form zurück.

Im Dezember 2010 folgt der Bericht über ein niederländisch-chinesisches Forscherteam der Universitäten Twente, Utrecht und Nankai um Prof. Jurriaan Schmitz, dem es erstmals gelingt, Solarzellen direkt auf CMOS-Chips zu integrieren, wodurch diese zu Strom-Selbstversorgern werden, die netz- und akkuunabhängige autonome Systeme ermöglichen. Zudem ist der Materialverbrauch geringer und das entstehende System leistungsfähiger, als wenn Mikrochip und Solarzelle getrennt gefertigt und dann erst verbunden werden.

Um das integrierte Systeme zu fertigen, bauen die Forscher die Solarzelle vorsichtig schichtenweise auf dem Mikrochip auf. Damit dabei die Mikroelektronik keinen Schaden nimmt, setzt das Team auf amorphes Silizium sowie Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS), die beide in der Fertigung von Dünnschicht-Solarzellen gebräuchlich sind.

Mit amorphem Silizium wird eine Effizienz von 5,2 % erreicht, mit CIGS sogar 7,1 %, was mehr als der Hälfte der Ausbeute kommerzieller CIGS-Dünnschichtzellen entspricht und einen guten Wert für den ersten Prototypen darstellt. Allerdings muß die Leistungsaufnahme des Mikrochips deutlich weniger als 1 mW betragen, wenn er autonom funktionieren soll. Vielversprechend ist, daß sich der Herstellungsprozeß gut für eine industrielle Massenfertigung anbietet. Gefördert wird die Forschung durch die niederländische STW Technology Foundation.

Die erste Meldung des Jahres 2011 stammt vom April, als Forscher der University of Michigan um Prof. Stephen C. Rand darüber berichten, daß sie eine überraschende und dramatische magnetische Wirkung von Licht entdeckt haben, die zu Solarstrom führen könnte, der ohne herkömmliche Halbleiter-basierte Solarzellen auskommt.

Licht als elektromagnetische Strahlung hat bekanntlich sowohl eine elektrische als auch eine magnetische Komponente, die bislang allerdings für nennenswerte physikalische Auswirkungen als zu schwach betrachtet und daher weitestgehend ignoriert wurde. Dem UM-Team gelingt nun der Nachweis, daß Licht unter bestimmten Umständen und bei genügender Intensität durchaus beachtliche magnetische Felder produzieren kann, wenn es durch nichtleitende Materialien wie Glas geleitet wird.

Konventionelle Solarzellen nutzen bei der optischen Rektifikation die Trennung von Ladungen in symmetrischen Kristallen und erzeugen so Spannungen durch Lichteinfluß. Wird hochintensives Licht (z.B. durch Bündelung) in eine Glasfaser geleitet, kann der magnetische Effekt ebenfalls zu einer Art optischen Rektifikation und damit zur Abgabe elektrischer Energie führen. Bei den Untersuchungen zeigt sich, daß die magnetische Komponente des Lichts unter geeigneten Bedingungen tatsächlich durchaus vergleichbare Auswirkungen wie die elektrische Komponente haben kann. Der gemessene Effekt ist sogar 100 Millionen Mal stärker als erwartet.

Damit nennenswerte magnetische Effekte auftreten, muß das Licht im Glassubstrat auf Leuchtenergiedichten bis zu 10 MW/cm² konzentriert werden, weshalb bei den Experimenten bisher mit Lasern gearbeitet wird. Da Sonnenlicht deutlich schwächer ist, wird nun nach Materialien gesucht, mit denen sich magnetische Lichteffekte auch schon bei niedrigeren Intensitäten nutzen lassen. Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß die optische Batterie (o. optischer Kondensator) einen Wirkungsgrad von 10 % erreichen kann.

Tatsächlich berichtet das Team im Jahr 2014, daß mit einer 10 m langen Spule aus Saphir-Fasern eine Effizienz von 30 % und eine Energieabgabe von 29,7 W erreicht worden sei. Die Forschungen werden von der National Science Foundation unterstützt. Was die obige Abbildung betrifft, so sollte man sich vergegenwärtigen, daß diese grob vereinfacht ist und auch nicht wiedergibt, daß sich die beiden Felder spiralförmig umeinander winden.

Im Juli 2011 stellen Fang-Chung Chen und sein Team von der National Chiao Tung University in Hsinchu, Taiwan, ein organisches photovoltaisches Nano-Gerät (Organic Photovoltaic Device, OPV) vor, das unter der Haut sitzt und Lichtenergie im nahen Infrarotbereich (NIR), für das biologisches Gewebe hochtransparent ist, in elektrische Energie umwandelt.

Das aus mehreren Schichten hergestellte OPV, darunter mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtetes Glas, einem anodischen Puffer, einer Polymer/Fulleren-Mischschicht sowie einer Kalzium/Aluminium-Kathode, ist klein, hat die Form einer Faser und ist ideal für eine biologische Umgebung. Das System wird daher als eine vielversprechende drahtlose, elektrische Energiequelle für biologische Nanoroboter betrachtet, die im menschlichen Körper zum Einsatz kommen sollen.

Um die Theorie zu testen, umgibt das Team das OPV mit einer 3 mm dicken Schicht aus Schweinehaut und feuert einen NIR-Laser mit der maximalen Stärke darauf, die von der menschlichen Haut noch ertragen wird. Dabei erreicht das OPV eine elektrischen Leistung von 0,32 μW, was mehr als genug ist, um sogar viele biologische Nanogeräte zugleich zu betrieben, deren typischer Leistungsbedarf bei etwa 10 nW liegt.

Im August 2011 berichten die Fachblogs über ein Forscherteam rund um Prof. Yang Yang an der University of California, Los Angeles (UCLA), das sich der Tatsche angenommen hat, daß die helle Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Bildschirms 80 – 90 % des gesamten Energieverbrauchs eines Smartphones ausmacht – und zudem noch ziemlich ineffektiv ist.

Normale LCD-Bildschirme, die auf der sogenannten Twisted Nematic-Technologie basieren, funktionieren mit zwei konträr polarisierten Platten und Flüssigkristallen dazwischen, welche das Licht um 90°drehen und es so die Platten passieren lassen. Wird nun eine elektrische Spannung durch die Flüssigkristalle geleitet, wird deren Orientierung geändert und es gelangt kein Licht mehr durch die zweite Platte. Bei diesem Polarisationsprozeß wird etwa 75% der Energie vergeudet.

Als Lösung entwickeln die UCLA-Forscher ein Konzept namens Polarizing Organic Photovoltaics (ZOPV), bei welchem das zur Beleuchtung eines LCDs verwendete Licht wiedergewonnen werden soll. Hierzu baut das Team photovoltaische Polarisatoren in die Platten ein, welche nicht nur das von den LCD-Polarisatoren geblockte Licht aus der Hintergrundbeleuchtung, sondern sogar Umgebungslicht zur Energiegewinnung nutzen können. Es scheint aber, daß die Entwicklung später nicht weitergeführt worden ist.

Im gleichen Monat meldet ein von Prof. John A. Rogers an der University of Illinois in Urbana-Champaign geleitetes internationales und interdisziplinäres Teams die Entwicklung einer elektronischen Haut, die elektronische Komponenten zur Sensorik, medizinischen Diagnostik, Kommunikation und als Mensch-Maschine-Schnittstellen kombiniert und durch integrierte Solarzellen betrieben wird. Rogers soll bereits seit 2008 daran arbeiten.

Die kaum sichtbare Elektronik, die typischerweise kaum 0,09 g wiegt und als hauchdünnes Pflaster auf der menschlichen Haut klebt, faltet, biegt und dehnt sich und folgt so nahezu unbemerkt jeder Bewegung. Aufgetragen wird sie einfach durch Anfeuchten mit Wasser - ähnlich einer temporären Tätowierung. Dabei sorgen schwache Adhäsionskräfte (van der Waals-Kräfte) bis zu 24 Stunden lang für einen sicheren Halt.

Für ihr Electronic Epidermal System (EES) nutzen die Wissenschaftler, zu denen auch Kollegen aus Singapur und China gehören, Schaltkreise aus spiralig gewundenen oder membrandünnen Halbleiterbauteilen mit Leiterbahnen aus Gold, die sich dehnen lassen, ohne zu reißen. Die nur wenige Mikrometer großen Komponenten werden auf einer transparenten, luftdurchlässigen Polyesterfolie fixiert.

In mehreren Versuchen werden Probanden elektronische Pflaster auf Stirn, Hals oder Brust gesetzt und damit erfolgreich deren Hirnströme, Muskelsignale oder Herzschlag gemessen. Mit einem Sensor auf der Kehle gelingt es, deren Muskelsignale bei verschiedenen Sprachkommandos (auf, ab, rechts, links) abzugreifen und damit – mit einer Trefferrate von über 90 % – ein Computerspiel zu steuern.

Neben der integrierten Solarzelle besitzt die elektronische Haut eine Induktionsspule, über die das Modul – ähnlich wie bei RFID-Funketiketten – mittels elektromagnetischer Wellen ebenfalls mit Energie versorgt werden kann. Die Forschen können damit bereits kleinste verbaute Dioden zum Leuchten bringen.

Zur Entwicklung eines marktreifen Produkts gründet Rogers eigens die Firma MC10 mit Sitz in Massachusetts, die bereits in ihrer ersten Finanzierungsrunde im Juli 2010 einen Betrag von 6,2 Mio. $ akquirieren kann, gefolgt von 15 Mio. $ im Laufe des Jahres 2011 sowie weiteren 12 Mio. $ 2012. Für eine simple Anwendung, die schon 2012 auf den Markt kommen sollte, wird mit dem Sportartikelhersteller Reebok zusammengearbeitet.

Im August 2012 vermeldet MC10, daß man mit dem Natick Soldier Research, Development & Engineering Centre (NSRDEC) der U.S. Army einen Vertrag unterzeichnet habe, um Solarzellen zu entwickeln, die direkt in den Stoffbezug von Kampfhelmen und Rucksäcke integriert werden können.

Nachdem in der 3. Finanzierungsrunde im April 2013 nochmals 8 Mio. $, sowie im Januar 2014 weitere 20 Mio. $ eingenommen werden, kommt die Firma nun auch mit ihrem ersten Produkt auf den Markt, das gemeinsam mit dem globalen Biopharmaunternehmen UCB entwickelt worden ist. Unter dem Namen BioStamp wird ein 6 g schweres Diagnosepflaster mit einer Speicherkapazität von 32 MB für rund 150 $ verkauft, das allerdings mit einem 15 mAh Akku betrieben wird und daher eine Laufzeit von nur 36 Stunden hat – und auch keinerlei Ähnlichkeit mit dem ursprünglichen EES hat.

Im Mai 2016 melden die Wissenschaftler um Rogers die Entwicklung einer neuen Apparatur, die aus kleinen Solarzellen, winzigen Schaltkreisen und Batterien besteht, wobei die Komponenten in mehreren Kunststoffschichten eingebunden sind, was einen hohen Grad an Flexibilität ermöglicht.

Dazu nutzen die Forscher 0,5 µm dünne Kupferdrähte, die wiederum in Serpentinen angelegt werden. Kommt es zu einer Dehnung des Materials, wird der Kupferdraht nur so weit gebogen, daß dieser beim Nachlassen der Spannung wieder in seine Ausgangsform zurückkehrt.

Das Gerät kann bereits bei einem Menschen,  der Sport treibt, die Temperatur messen, wobei die Daten anschließend kabellos an einen Empfänger gesendet werden. Möglich sei auch, damit LEDs zum Leuchten zu bringen. Mehr über die Aktivitäten der MC10 findet sich im Kapitel Wärmeenergie unter Thermoelektrischer Effekt (2008).

Im November 2011 berichten Svetlana V. Boriskina und Björn M. Reinhard von der Boston University über einen neuen Weg, um Licht in nanoskaligen Strukturen und nanostrukturierten Dünnfilmen effizient abzufangen und zu verstärken, was die Leistung von photonischen und elektronischen Geräten wie Nano-Sensoren, organischen Dünnfilm-Solarzellen und optischen Nanochips erheblich verbessern könnte.

Die Fokussierung von nanoskaligem Licht kann durch Umwandlung von freien Photonen in lokalisierte Ladungsdichteschwingungen (Oberflächenplasmonen) auf Nanostrukturen aus Edelmetall erreicht werden, die dem nanoskaligen Analog von Funkantennen entsprechen und in der Regel unter Verwendung von Antennentheorie-Konzepten entwickelt werden. Hierbei leiden die Plasmonen aufgrund der hohen Absorptionsverluste der Metalle allerdings an einer fundamentalen physikalischen Begrenzung im sichtbaren Frequenzband.

Um diese Einschränkung zu überwinden, verfolgen die Forscher beim Entwickeln ihrer Plasmonen-Nanoschaltungen einen alternativen, von der Hydrodynamik inspirierten Ansatz, der darauf basiert, das einfallende Licht in nanoskaligen optischen Tornados einzufangen – Bereiche einer kreisförmigen Bewegung des Lichtstroms, die an den plasmonischen Nanostrukturen ,angepinnt’ werden.

Dabei zeigt sich, daß die Schaffung von optischen Wirbeln in Nanostrukturen und ihre Kopplung zu Getriebe-ähnlichen Sequenzen zu dramatischen optischen Effekten führt, einschließlich der optische-spektralen Formung und einer größenordnungsmäßigen Erhöhung der Feldstärke und der Qualitätsfaktoren der optischen Wirkungsweisen.

Der Design-Ansatz basiert dabei auf der hydrodynamischen Analogie einer sogenannten ,Photonenflüssigkeit’ (photon fluid), deren kinetische Energie über konvektive Beschleunigung des Wirbelgeschwindigkeit-Feldes lokal erhöht und dann in Druckenergie umgewandelt werden kann, um lokalisierte Bereiche mit hoher Feldstärke zu generieren. Und ebenso wie mechanische und hydrodynamische Getriebe eine Basis komplexer Maschinen bilden, können rational entworfene Nanostrukturen, die optische Wirbel einfangen, zu komplexen Plasmon-Netzwerken kombiniert werden, die eine nanoskalige Lichtführung und -schaltung ermöglichen.

Darüber hinaus erforschen die Wissenschaftler die Vorteile des neuen Konzepts im Bereich der Erneuerbaren Energie, da es dabei helfen kann, die Diskrepanz zwischen den elektronischen und photonischen Längenskalen bei der Dünnschicht-Photovoltaik zu beseitigen. Es wird erwartet, daß die vorgeschlagene Methodik dazu beitragen wird, die Dicke der Halbleiter zu minimieren, die benötigt wird, um Licht vollständig zu absorbieren. Über den plasmonischen Verstärkungsmechanismus wird zudem das Signal verstärkt. Außerdem ist der Ansatz kompatibel für die Integration mit sowohl Silizium-Elektronik als auch flexiblen Substraten, die auf organischen und polymeren Materialien basieren.

Das Vortex Nanogear Transmissions (VNTs) genannte Konzept bietet damit vielfältige neue Design-Prinzipien für die Entwicklung komplexer und multifunktionaler, phasenbetriebener Photonik-Maschinen und soll zu einzigartigen Lösungen in der Lichterzeugung, -ernte und -verarbeitung auf der Nanoskala führen. Neben  Anwendungen in der Photovoltaik und Photokatalyse soll auch die Tatsache genutzt werden, daß die kreisförmige Bewegung der elektromagnetischen Energie starke nanoskalige Magnetfelder erzeugt, um Metamaterialien zu konstruieren.

Eine weitere zukünftige spannende Anwendung für plasmonisch integrierte nanoskalige optische Tornados ist das optische Einfangen kleiner Teilchen (Viren, Bakterien, usw.), die dann über nanoskalige on-chip-,Förderbänder’ geführt werden. Die auch sonst sehr aktive Boriskina ist maßgeblich an einer Sonderausgabe des Magazins Nanophotonics beteiligt, die im Laufe des Jahres 2016 veröffentlicht werden soll und den Fokus auf intelligente Nanophotonik für erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit richtet.

 

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