Согласно последним исследованиям американских ученых, фотонные кристаллы, состоящие из упорядоченных массивов пор и столбцов, благодаря способности изменять цвет при механическом повреждении, могут служить детекторами для определения взрывной волны.

Взрывная волна, вызывающая повреждения головного мозга, была одной из достаточно распространенных причин травм солдат в Афганистане и Ираке. Однако ученым до сих пор известно не так много о том, какой мощностью должна обладать взрывная волна, чтобы вызвать травму. К примеру, люди, подвергшиеся воздействию губительной сверхзвуковой взрывной волны, могут выглядеть нормально, не имея никаких видимых повреждений. Повторная травма в этом случае может иметь весьма продолжительный эффект.

Для решения этой проблемы уже долгое время ученые пытаются разработать новый тип сенсора, который бы измерял перегрузку, генерируемую взрывом. Однако большинство доступных на сегодняшний день разработок требуют для работы внешнего источника энергии, кроме того, они достаточно дороги в производстве. В то же время идеальным было бы устройство, не требующее внешнего питания, которое можно было бы прикрепить на одежду и легко определять, подвергаются ли солдаты в данный момент вредному воздействию или нет, например, при помощи цветового индикатора, сообщающего, что уровень колебаний среды достиг того уровня, что может вызвать повреждения. Похоже, свое эффективное решение предложили ученые из США.

Рис. 1. Схематическое изображение поставленного эксперимента.

Трехмерные фотонные кристаллы представляют собой микроскопические структуры из оптически-прозрачного материала, с периодическим изменением показателя преломления, период которого сравним с длиной волны интересующего диапазона излучения. Световые волны отражаются от такой диэлектрической решетки, интерферируя между собой, что ведет к возникновению так называемых фотонных запрещенных зон спектра (свет определенной длины волны полностью отражается от поверхности). Фотонные кристаллы вызывают интерес ученых в связи с целым рядом возможных практических применений, начиная с ультра-широкополосных интегрированных оптических коммуникаций и заканчивая лазерами и датчиками. При этом разработан целый комплекс методов по производству фотонных кристаллов.

В рамках своей работы ученые из University of Pennsylvania (США) создавали фотонные кристаллы при помощи многолучевой интерференционной литографии из коммерчески доступного химически не активного фоторезиста SU-8, который остается термически и механически стабильным до 300 градусов по шкале Цельсия.

Созданные кристаллические пленки отражают свет определенной длины волны (определенного цвета) за счет дифракции, в зависимости от поверхностной структуры (характеризующейся периодичностью, симметрией и индексом отражения границы кристалла и воздуха) и угла зрения. Таким образом, цвет, который мы наблюдаем, глядя на подобные материалы с микроструктурой, называется структурным. Обычно такая окраска оказывается ярче, чем пигментация за счет адсорбции на поверхности определенных химических веществ. Поэтому смена цвета фотонного кристалла при определенных условиях может быть видна невооруженным глазом.

Эксперименты показали, что когда взрывная волна разрушает микроструктуру фотонного кристалла, его цвет частично или полностью пропадает. Таким образом, представленный фотонный кристалл из фоторезиста SU-8 является идеальным детектором потенциально опасной взрывной волны.

На сегодняшний день ученые предложили методику создания пластинок фотонного кристалла площадью несколько квадратных миллиметров. В ближайшем будущем они планируют масштабировать свою разработку на большие площади (несколько квадратных сантиметров) для использования в обычной жизни. Однако для разработки теоретической модели изменения цвета как функции свойств материала, потребуется проделать еще много работы.