泡沫提供了操纵光线的方法

泡沫并不像看上去那么简单。字面上。普林斯顿大学科学家的一项研究表明，研究人员长期研究的一种泡沫能够阻挡特定波长的光，这是使用光而不是电的下一代信息技术梦寐以求的特性。

研究人员整合了材料科学、化学和物理学的专业知识，对一种被称为“威尔-费兰”泡沫的结构进行了详尽的计算模拟。他们发现，这种泡沫可以让某些频率的光通过，同时完全反射其他频率的光。这种选择性阻塞被称为光子带隙，它与半导体的行为类似，半导体是所有现代电子产品的基岩材料，因为它能够在极小的尺度上控制电子的流动。

“这有我们想要的特性:在一定的频率范围内，有一个全方位的镜子，”化学教授、普林斯顿材料科学技术研究所(Princeton Institute for the Science and Technology of Materials)的萨尔瓦托·托克托(Salvatore Torquato)说。11月6日，刘易斯·伯纳德自然科学教授托尔卡托与博士后研究员迈克尔·克拉特、物理学家保罗·斯坦哈特(普林斯顿大学爱因斯坦科学系教授)共同在《美国国家科学院院刊》上发表了这项研究结果。

尽管之前已经有许多光子带隙的例子在不同类型的晶体中被发现，研究人员相信他们的新发现是在泡沫中发现的第一个例子，类似于肥皂泡或生啤酒的泡沫。不同于啤酒的无序泡沫，weire – phelan泡沫是一种精确的结构安排，有着深厚的数学和物理基础。

魏尔-费兰泡沫的起源可以追溯到1887年，当时苏格兰物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)提出了一种“以太”的结构，这种神秘的物质被认为构成了所有空间的背景结构。虽然乙醚的概念在当时已经不受欢迎了，但开尔文提出的泡沫却引起了数学家们一个世纪的兴趣，因为它似乎是用具有最小可能表面积的连锁几何形状填充空间的最有效方法。

1993年，物理学家丹尼斯·维尔(Denis Weaire)和罗伯特·费兰(Robert Phelan)发现了另一种需要较少表面积的排列方式。从那时起，对魏尔-费兰结构的兴趣主要集中在数学、物理和艺术领域。该结构被用作为2008年奥运会设计的“北京水立方”的外墙。这一新发现现在引起了材料科学家和技术人员的兴趣。

Torquato说:“你从一个经典的、美丽的几何和数学问题开始，现在你突然有了这种材料，它打开了一个光子带隙。”

Torquato, Klatt和Steinhardt对weire – phelan泡沫产生了兴趣，并将其作为另一个项目的主题，在这个项目中，他们研究了“超均匀”无序材料，作为一种控制光线的创新方式。虽然这不是他们最初关注的焦点，但他们三个人意识到这种精确结构的泡沫具有有趣的特性。

托克托说:“慢慢地，我们发现了一些有趣的东西。”“最后我们说，‘好吧，我们先把主要项目搁置一段时间，然后再继续这个项目。’”

Klatt补充道:“要时刻留意研究的中途情况。”

Weaire并没有参与这项新发现，他说，自从他和Phelan发现它以来，普林斯顿大学的发现是人们对这种材料兴趣扩大的一部分。他说，光学上可能的新用途可能源于材料的各向同性，或者没有很强的方向性。

“事实上,它显示了一个光子带隙是非常有趣的,因为它有很多特殊的性质,”安德鲁·Kraynik说泡沫的专家从普林斯顿大学获化学工程博士学位,1977年研究了Weaire-Phelan泡沫广泛但普林斯顿大学并没有参与这项研究。克雷尼克说，普林斯顿大学的另一个联系是，发现和分析威尔-费兰泡沫的一个关键工具是一个叫做表面进化器的软件工具，它根据表面属性优化形状。

为了证明weire – phelan泡沫具有他们所寻求的光控制特性，Klatt在普林斯顿计算科学与工程研究所的超级计算设备上进行了一系列细致的计算。

“他必须运行的程序真的是计算密集型的，”Torquato说。

研究人员表示，这项工作为进一步的发明创造提供了多种可能性。他们将这一新领域称为“光子”(“泡沫”和“光子”的混合)。托克托说，因为泡沫是自然产生的，而且相对容易制造，一个可能的目标是诱导原料自组织成精确排列的魏尔-费兰泡沫。

随着进一步的发展，泡沫可以运输和操纵用于电信的光。目前，互联网上的大部分数据都是由玻璃纤维传输的。然而，在它的目的地，光被转换回电力。光子带隙材料可以比传统的光纤电缆更精确地引导光，并可作为利用光进行计算的光晶体管。

“谁知道呢?”托克托说。“一旦你有了这个结果，它就为未来提供了实验性的挑战。”