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新一代光分子材料 |
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| http://cn.newmaker.com
1/5/2007 9:09:00 AM
中国科技信息网
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 由华盛顿州立大学、比利时鲁汶大学和中国科学院的研究人员共同组成的研究小组联合研发和测试的新一代光分子材料不久将促进因特网的飞速发展。与以往测试过的任何材料相比，这种新型材料，即众所周知的载色体有机分子，能与光发生更激烈的相互作用。这种激烈的相互作用使他们或依据同一原理设计的其他分子成为一些光学技术应用的最初候选者，这些技术包括光学开关、因特网连接、光存储器系统和全息摄影。首先，由中国的化学家对这些分子进行合成，然后依据美国华盛顿州立大学物理学家的理论计算对它们进行评估，最后比利时鲁汶大学的化学家对它们的实际光学特性进行测试。美国华盛顿州立大学物理学家马克·库扎克称，“让我们倍感兴奋的是，这些分子的表现比曾经测试过的任何其他分子的表现要好得多。”该小组的发现被发表在2007年《光学快报》杂志1月刊上，网址：http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?msid=74078
从20世纪70年代开始到现在，光学技术就变得非常重要，研究人员已设法改进光学材料用于操纵光。1999年，库扎克发现光能够与物质发生相互作用的强度存在一种基本极限值。他继续表示，在当时经测试的所有分子远远不能达到这一极限值。即使是最好的分子所产生的他称之为“光学膂力”的强度也比理论可能存在的极限值要小30倍。在这篇新的研究报告中，科学家描述这些分子对于这项长期存在的最高限度是一种突破，它们本质上要比以往测试过的任何分子好50%，这就意味着它们能够更有效地将光能转化为一种可用的能源形式。
今年年初，库扎克和两位华盛顿州立大学同事共同发表了描述擅长于与光进行相互作用的分子结构的理论指导方针。在进行一种测量一个分子与光间的交互作用强度被称之为超瑞利散射的测试方面，比利时鲁汶大学的化学家柯恩·克莱是一位先驱者。当他发现检测的分子符合库扎克在其研究文章中所提出的设计标准时，他正在对那些从全世界化学家发送过来的分子进行测量工作。由中国科学院化学家赵余霞提供的7种分子的序列，看起来特别有价值。当研究报告的主要作者泽维尔·彼得兹·莫尔诺对这些分子进行研究时，与以前观察到的交互作用相比，他发现它们中的两个分子表现出与光间的一种更强大的交互作用。彼得兹-莫尔诺称，“我们发现这与库扎克的理论结果极其一致。我们使用量子限，试图更清晰地观察这种非线性的光学相互作用，我们希望揭示这种隐藏于光和物质交互作用背后的统一的原理——一项非常雄心勃勃的目标。今年夏天，我们设定了量子限框架的一些基础。”彼得兹·莫尔诺的国籍是西班牙，他正争取通过华盛顿州立大学的物理学部和比利时鲁汶大学的化学部获得一个联合博士学位。他将成为首位与非美国公共机构协力获得博士学位的华盛顿州立大学学生。
这种新的设计参数需要一种分子结构，这种分子结构可以提高一种众所周知的“固有的超极化性”特性。在分子充当两个光子合并为一个光子的媒介时，该特性可以反映出分子中电子的变形难易程度。光子合并行为是光学开关的基础。该领域的其他研究人员对这一突破表示欢迎。美国海军研究部门的格奥夫·林德塞称，“这是一项伟大的领先发现，我想说的是，自该领域创建以来，这是在有机染料超极化性理论方面取得的最伟大的进步。”依照利哈伊大学的物理学家伊凡·比阿基奥的说法，这项研究工作“是一项非常重要的贡献，可能帮助该团体最终实现全光开关性能，这正是未来的全光数据处理网络所需要的，这还是研究人员20年以来尚未实现的目标。”
在该项新的设计当中，每一个分子的一端都拥有一种可以捐赠一个电子的成分，而另一端则有一种接受一个电子的成分。在它们之间是分子的“桥”部分。此前推进与光间交互作用的努力集中于“消除”桥的研究，以允许电子从捐赠一端到接受一端更容易地流动。库扎克的计算表明，一种更为“崎岖不平”的结构居然能够增强与光的交互作用；克莱也验证了化学家赵余霞的结构是出类拔萃的——这已通过他的研究小组的测量得以证实。库扎克称，量子力学对电子在这种情形里的行为进行了解释，“当你对有几分象电子的一种物质进行观察时，你真的不能将其作为非量子物理的走来走去的小球来看待。事实上，结束意外事件发生的原因是电子同时存在于许多不同的地方。当电子全部展开时，它能够与自身形成干扰。通过嵌入这些速度碰撞，你会使它在某些地方聚成一团，并阻止它与自身形成干扰。”
最新的研究报告认为分子只具有一种“速度碰撞”，既然研究人员已证实了理论设计工作，他们正利用更多的碰撞来合成分子。库扎克称，“这项计算表明越多的碰撞会带来越好的结果。”他认为，在光学开关或其他产品的应用领域，分子可能被植入一种透明的聚合体，来提供结构资产如能够组成一种薄薄的膜层或光纤的能力、浇铸其它形状的能力或用于涂层电路或芯片的能力。库扎克是波音公司杰出的教授，并担任华盛顿州立大学物理学和天文学部的副主席。克莱是比利时鲁汶大学化学部的教授及华盛顿州立大学物理学和天文学部的副教授。赵余霞是北京中国科学院物理和化学技术学会的副教授。他们研究的支持主要来自比利时鲁汶大学、比利时政府、佛兰德斯科学研究基金、美国科学基金会以及赖特-帕特森空军基地。
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