Metamaterialien in flüssiger Phase

• Antragsteller: Dr. Ernst-Bernhard Kley; Professor Dr. Thomas Pertsch; Professor Dr. Carsten Rockstuhl
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243120259

Nanostrukturierte Materialien erlauben die Eigenschaften von Licht in umfassender Art zu kontrollieren und ermöglichen so komplett neue Anwendungen. Bisher werden solche Materialien vorzugsweise mit top-down Methoden der Nanostrukturierung realisiert. Dies erlaubt die nahezu freie Kontrolle über Details und Symmetrien der Struktur, führt aber zu inhärenten Nachteilen. So ist es schwierig, voluminöse Materialien herzustellen und exakte Kontrolle über nanometrische Details der Struktur zu erlangen. Zusätzlich birgt die im Allgemeinen periodische Anordnung identischer Elementarzellen Nachteile durch die induzierte räumliche Dispersion. Zur Lösung dieser Probleme sind in der jüngeren Vergangenheit bottom-up Methoden zur chemischen Synthese nanostrukturierter Materialien direkt in Flüssigkeiten entwickelt wurden. Diese lösen die genannten Probleme, haben aber den Nachteil, dass sich die Geometrie der Elementarzellen nicht mehr exakt einstellen lassen. Das führt zu unzureichender Dispersion in den optischen Eigenschaften.Dieses Grundproblem wollen wir in unserem Projekt lösen, indem wir top-down und bottom-up Ansätze kombinieren, um hochdispersive, isotrope photonische Nanomaterialien in Lösung zu erhalten. Diese werden Eigenschaften besitzen, die kein natürlich vorkommendes Material aufweist. Dazu werden wir mit top-down Methoden die Elementarzellen der Materialien auf großen Flächen herstellen, welche anschließend durch Ablösen in eine flüssige Form überführt werden. Darin sind die identischen Elementarzellen amorph angeordnet, was zu isotropen hochdispersiven Materialeigenschaften führt. Diese können durch die identische Geometrie der hochresonanten Elementarzellen ausgezeichnet gesteuert werden. In einem weiteren Schritt können diese flüssigen Materialien auch in eine amorphe feste Phase überführt werden, um weitere Anwendungen zu erschließen. Die theoretische Analyse und Simulation solcher amorphen Materialien, die aus hochkomplizierten Elementarzellen bestehen, deren aufwändige Herstellung und deren experimentelle Charakterisierung im Nah- und Fernfeld, stellen eine enorme Herausforderung für die Nanowissenschaften dar, die wir gemeinsam lösen werden.Mit dieser komplett neuen Materialklasse werden wir verschiedene Anwendungen realisieren. Diese werden die neuen Materialeigenschaften nachweisen, sollen aber auch selbst von großem unmittelbarem Nutzen sein. Beispiele sind druckbare optische Komponenten, Flüssigkeiten mit einem hohen Brechungsindex als Immersionsflüssigkeit zur signifikanten Steigerung des Auflösungsvermögens optischer Mikroskope oder Flüssigkeiten mit elektrischer Permittivität von null. Neben diesen unmittelbaren Anwendungen, können die künstlichen Flüssigkeiten auch zu einer komplett neuen Klasse opto-fluidischer Anwendungen führen, deren Eigenschaften durch Licht gesteuert werden. In unserem Projekt wollen wir die wissenschaftlichen Grundlagen erarbeiten, die zum Erreichen dieser visionären Ziele zukünftig benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen