Foam offers way to manipulate light by-- Steven Schultz, Princeton University

In a combination of physics and materials science, Princeton researchers found that a type of foam can selectively block light, which is important for next-generation devices that compute with light instead of electricity. A computer model of the foam, above, shows the energy density of light as it passes through the foam. Credit: Princeton University
Foam offers way to manipulate light
by Steven Schultz, Princeton University
There is more to foam than meets the eye. Literally. A study by Princeton scientists has shown that a type of foam long studied by scientists is able to block particular wavelengths of light, a coveted property for next-generation information technology that uses light instead of electricity.
The researchers, integrating expertise from materials science, chemistry and physics, conducted exhaustive computational simulations of a structure known as a Weaire-Phelan foam. They found that this foam would allow some frequencies of light to pass through while completely reflecting others. This selective blocking, known as a photonic band gap, is similar to the behavior of a semiconductor, the bedrock material behind all modern electronics because of its ability to control the flow of electrons at extremely small scales.
"This has the property we want: an omnidirectional mirror for a certain range of frequencies," said Salvatore Torquato, professor of chemistry and the Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Torquato, the Lewis Bernard Professor of Natural Sciences, published the results Nov. 6 in the Proceedings of the National Academy of Science, with coauthors Michael Klatt, a postdoctoral researcher, and physicist Paul Steinhardt, who is Princeton's Albert Einstein Professor in Science.
While numerous examples of photonic band gaps have been shown previously in various types of crystals, the researchers believe that their new finding is the first example in a foam, similar to the froth of soap bubbles or a draft beer. Unlike the disordered foam of beer however, the Weaire-Phelan foam is a precisely structured arrangement with deep roots in mathematics and physics.
The origins of the Weaire-Phelan foam date to 1887 when the Scottish physicist Lord Kelvin proposed a structure for the "ether," the mysterious substance that was then thought to comprise a background structure to all space. Although the concept of the ether was already falling out of favor at the time, Kelvin's proposed foam went on to intrigue mathematicians for a century because it appeared to be the most efficient way to fill space with interlocking geometrical shapes that have the least possible surface area.
In 1993, physicists Denis Weaire and Robert Phelan found an alternative arrangement that requires slightly less surface area. Since then, interest in the Weaire-Phelan structure was mainly in the mathematics, physics and artistic communities. The structure was used as the outer wall of the "Beijing Water Cube" created for the 2008 Olympics. The new finding now makes the structure of interest to materials scientists and technologists.
"You start out with a classical, beautiful problem in geometry, in mathematics, and now suddenly you have this material that opens up a photonic band gap," Torquato said.
Torquato, Klatt and Steinhardt became interested in the Weaire-Phelan foam as a tangent of another project in which they were investigating "hyperuniform" disordered materials as an innovative way to control light. Although not their original focus, the three realized that this precisely structured foam had intriguing properties.
"Little by little, it became apparent that there was something interesting here," Torquato said. "And eventually we said, "Ok, let's put the main project to the side for a while to pursue this.""
"Always look out for what's at the wayside of research," Klatt added.
Weaire, who was not involved in this new finding, said that the Princeton discovery is part of a broadening interest in the material since he and Phelan discovered it. He said the possible new use in optics likely stems from the material being very isotropic, or not having strongly directional properties.
"The fact that it displays a photonic band gap is very interesting because it turns out to have so many special properties," said Andrew Kraynik, an expert in foams who earned his Ph.D. in chemical engineering from Princeton in 1977 and has studied the Weaire-Phelan foam extensively but was not involved in the Princeton study. Another Princeton connection, said Kraynik, is that a key tool in discovering and analyzing the Weaire-Phelan foam is a software tool called Surface Evolver, which optimizes shapes according to their surface properties and was written by Ken Brakke, who earned his Ph.D. in math at Princeton in 1975.
To show that the Weaire-Phelan foam exhibited the light-controlling properties they were seeking, Klatt developed a meticulous set of calculations that he executed on the supercomputing facilities of the Princeton Institute for Computational Science and Engineering.
"The programs he had to run are really computationally intensive," Torquato said.
The work opens numerous possibilities for further invention, said the researchers, who dubbed the new area of work as "phoamtonics" (a mashup of "foam" and "photonics"). Because foams occur naturally and are relatively easy to make, one possible goal would be to coax raw materials to self-organize into the precise arrangement of the Weaire-Phelan foam, Torquato said.
With further development, the foam could transport and manipulate light used in telecommunications. Currently much of the data traversing the internet is carried by glass fibers. However, at its destination, the light is converted back to electricity. Photonic band gap materials could guide the light much more precisely than conventional fiber optic cables and might serve as optical transistors that perform computations using light.
"Who knows?" said Torquato. "Once you have this as a result, then it provides experimental challenges for the future."
العروض رغوة طريقة لمعالجة الضوء
ستيفن شولتز، جامعة برنستون
ي مزيج من الفيزياء وعلم المواد، ووجد الباحثون أن برينستون نوع من الرغوة يمكن أن تمنع بشكل انتقائي للضوء، وهو أمر مهم لأجهزة الجيل المقبل من أن حساب مع الضوء بدلا من الكهرباء. نموذج الكمبيوتر من الرغوة، أعلاه، يبين كثافة الطاقة من الضوء لأنها تمر عبر الرغوة. الائتمان: جامعة برنستون
هناك ما هو أكثر من رغوة مما تراه العين. حرفيا. وقد أظهرت دراسة أجراها علماء جامعة برينستون أن نوعا من الرغوة درس لفترة طويلة من قبل العلماء غير قادرين على منع موجات معينة من الضوء، وهي خاصية مطمعا لتكنولوجيا المعلومات الجيل التالي التي تستخدم الضوء بدلا من الكهرباء.
الباحثون، ودمج الخبرات من علوم المواد والكيمياء والفيزياء، أجرى المحاكاة الحاسوبية شاملة للبنية المعروفة باسم Weaire-فيلان رغوة . ووجد الباحثون أن هذه الرغوة سيسمح بعض ترددات الضوء بالمرور بينما يعكس تماما الآخرين. هذا الحجب الانتقائي، والمعروفة باسم فجوة الضوئية ، مشابه لسلوك أشباه الموصلات، والمواد حجر الأساس وراء كل الالكترونيات الحديثة بسبب قدرته على السيطرة على تدفق الإلكترونات في جداول صغيرة للغاية.
":، مرآة احادي لمجموعة معينة من الترددات وهذا له خاصية نريد"، وقال سالفاتوري توركواتو، أستاذ الكيمياء ومعهد برنستون لعلوم وتكنولوجيا المواد. توركواتو، والأستاذ لويس برنارد من العلوم الطبيعية، نشرت النتائج 6 نوفمبر في دورية الاكاديمية الوطنية للعلوم، والمؤلفون المشاركون مايكل Klatt، وهو باحث ما بعد الدكتوراه، والفيزيائي بول شتاينهاردت، وهو ألبرت أينشتاين أستاذ برينستون في مجال العلوم.
بينما ثبت أمثلة عديدة من الفرقة الثغرات الضوئية سابقا في أنواع مختلفة من بلورات، ويعتقد الباحثون أن الاكتشاف الجديد هو المثال الأول في رغوة، على غرار زبد فقاعات الصابون أو البيرة. وخلافا للرغوة المختلين من البيرة ومع ذلك، فإن الرغوة Weaire-فيلان هو ترتيب منظم بدقة مع جذور عميقة في الرياضيات والفيزياء.
أصول من تاريخ رغوة Weaire-فيلان إلى 1887 عندما الفيزيائي الاسكتلندي اللورد كلفن اقترح هيكلا لل"الأثير"، والمادة الغامضة التي تم ثم رأى أن تشكل بنية أساسية لجميع الفضاء. على الرغم من أن مفهوم الأثير هبوط بالفعل من صالح في ذلك الوقت، ذهبت رغوة المقترحة كلفن على لعلماء الرياضيات دسيسة لقرن من الزمان لأنه يبدو أن الطريقة الأكثر فعالية لمساحة ملء مع المتشابكة الأشكال الهندسية التي لديها أقل مساحة ممكنة .
في عام 1993، علماء الفيزياء دينيس ويير وروبرت فيلان وجدت ترتيب بديل يتطلب أقل قليلا مساحة السطح. ومنذ ذلك الحين، كان الاهتمام في بنية Weaire-فيلان بشكل رئيسي في الرياضيات والفيزياء والمجتمعات الفنية. تم استخدام هيكل كما الجدار الخارجي لل" بكين مكعب الماء " التي تم إنشاؤها لدورة الالعاب الاولمبية عام 2008. العثور على الدليل الجديد يجعل الآن هيكل تهم العلماء والتكنولوجيين المواد.
"أنت تبدأ مع مشكلة الكلاسيكية، جميلة في الهندسة، والرياضيات، والآن فجأة لديك هذه المواد أن يفتح ثغرة عصابية" قال توركواتو.
توركواتو، Klatt وشتاينهاردت أصبحت مهتمة الرغوة Weaire-فيلان بمثابة الظل من مشروع آخر التي تم التحقيق "hyperuniform" المواد المختلين كطريقة مبتكرة للضوء السيطرة. على الرغم من عدم التركيز الأصلي، وثلاثة أدركت أن هذه الرغوة هيكلة بالضبط كان الخصائص المثيرة للاهتمام.
"، وشيئا فشيئا، أصبح من الواضح أن هناك شيئا للاهتمام هنا" توركواتو. "وفي نهاية المطاف قلنا،" حسنا، دعونا نضع المشروع الرئيسي الى جانب لفترة من الوقت لمتابعة ذلك. ""
"، أن ننظر دائما للخروج عن ما هو على جانب الطريق البحوث" وأضاف Klatt.

وقال Weaire، الذي لم يشارك في هذا الاكتشاف الجديد أن اكتشاف برينستون هو جزء من اهتمام توسيع في المواد منذ أن وفيلان اكتشافه. وقال من الممكن استخدام جديد في مجال البصريات ينبع الأرجح من المواد التي يجري الخواص جدا، أو لا وجود خصائص الاتجاه بقوة.
وقال "حقيقة أنه يعرض ثغرة عصابية مثير جدا للاهتمام لأنه تبين أن الكثير من الخصائص الخاصة" وقال اندرو Kraynik، الخبير في الرغاوي الذي حصل على شهادة الدكتوراه في الهندسة الكيميائية من جامعة برينستون في عام 1977 ودرس رغوة Weaire-فيلان على نطاق واسع لكنه لم يشارك في الدراسة برينستون. اتصال آخر برينستون، قال Kraynik، هو أن أداة رئيسية في اكتشاف وتحليل رغوة Weaire-فيلان هو أداة البرمجيات دعا سطح Evolver، الذي يحسن الأشكال وفقا لخصائص سطحها وكتبه كين Brakke، الذي حصل على درجة الدكتوراه . في الرياضيات في جامعة برنستون في عام 1975.
لإظهار أن رغوة Weaire-فيلان أظهرت خصائص المسيطرة ضوء انهم يسعون، وضعت Klatt مجموعة دقيق من العمليات الحسابية التي أعدم على مرافق الحوسبة الفائقة من معهد برينستون الحاسوبية العلوم والهندسة.
واضاف ان "برامج انه اضطر الى المدى هي مكثفة حسابيا حقا" وقال توركواتو.
وقال الباحثون، الذين يطلق عليها اسم مجال عمل جديد باسم "phoamtonics" (المزج من "رغوة" و "الضوئيات") العمل يفتح العديد من الاحتمالات لمزيد من اختراع. تنظيم الذاتي، وقال توركواتو لأن الرغاوي تحدث بشكل طبيعي وهي سهلة نسبيا لجعل، فإن للمرء أن الهدف من الممكن أن يكون لاقناع المواد الخام لفي الترتيب الدقيق للرغوة Weaire-فيلان.
مع مزيد من التطوير، يمكن للرغوة نقل والتلاعب ضوء المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية. حاليا يتم تنفيذ الكثير من البيانات التي تعبر الإنترنت عن طريق الألياف الزجاجية. ومع ذلك، في وجهتها، وعلى ضوء عاد تحويلها إلى كهرباء. الضوئية المواد فجوة يمكن توجيه الضوء نحو أدق بكثير من كابلات الألياف البصرية التقليدية، وربما تكون بمثابة الترانزستورات الضوئية التي تؤدي العمليات الحسابية باستخدام الضوء.

"من تعرف؟" وقال توركواتو. "بمجرد الانتهاء من هذه نتيجة لذلك، فإنه يوفر التحديات التجريبية للمستقبل."