Lebende Systeme besitzen eine bemerkenswerte Fähigkeit, sich an ihre Umwelt anzupassen: Das menschliche Auge passt seine Lichtempfindlichkeit an, Pflanzen regulieren ihre Hydratation. Sie optimieren ständig ihre Funktionen, um ein Gleichgewicht bei Veränderungen ihrer Umwelt zu halten. Eine solche Autonomie in künstlichen Materialien zu reproduzieren, stellt eine große Herausforderung in der Materialwissenschaft dar.
a: Vorrichtung aus plasmonischen Nanoantennen, integriert in eine MOF-Matrix.
b–c: Beobachtung der Lichtstreuung der Antennen bei 850 nm und ihrer Entwicklung über die Zeit unter Laserbestrahlung.
d–e: Veränderung der normalisierten Streuintensität über die Zeit, gemessen für das gesamte Array und für eine einzelne Antenne.
Tatsächlich benötigen die meisten sogenannten „intelligenten“ Materialien derzeit eine externe Steuerung oder einen Stimulus, um ihr Verhalten zu ändern: Beispielsweise nehmen Formgedächtnispolymere bei Erwärmung ihre ursprüngliche Form wieder an, piezoelektrische Materialien erzeugen eine elektrische Spannung unter mechanischer Belastung. Im Gegensatz dazu beruht Selbstregulierung auf einer autonomen Reaktion, die auf Rückkopplungsschleifen basiert, die in künstlichen Systemen noch schwer umzusetzen sind.
Um diese Grenze zu überwinden, schlagen Wissenschaftler des Laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris (CNRS / Sorbonne Université), des Laboratoire Charles Fabry (CNRS / Université Paris-Saclay) und des Centre de nanosciences et de nanotechnologies (CNRS / Université Paris-Saclay) eine Vorrichtung vor, die ihre Lichtabsorption in Abhängigkeit von der Lichtintensität selbst regulieren kann. Sie basiert auf der Kombination zweier komplementärer Bausteine: einer plasmonischen Metasurface aus Gold-Nanoantennen, die Licht absorbieren und in Wärme umwandeln können, und einem porösen Film vom Typ Metal-Organic Framework (MOF), der temperaturabhängig ist.
In Gegenwart von Dampf verändert der MOF-Film seinen optischen Brechungsindex beim Erwärmen. Diese Veränderung verschiebt die Resonanz der Nanoantennen und reduziert deren Absorption. Wenn also die Lichtintensität zunimmt, absorbiert das System automatisch weniger Licht und begrenzt seine Erwärmung. Diese thermisch-optische Rückkopplungsschleife verleiht der Vorrichtung ein selbstgeregeltes Verhalten, vergleichbar mit einem Thermostaten im Nanometerbereich.
Bemerkenswerterweise ist diese Selbstregulierung nicht statisch. Im Maßstab einer einzelnen Nanoantenne beobachteten die Forscher spontane Oszillationen unter konstanter Beleuchtung. Ein Verhalten, vergleichbar mit einem von Licht angetriebenen Dampfmotor, der auf der zeitlichen Verzögerung zwischen der schnellen Erwärmung der Nanoantennen und der langsameren Reaktion des porösen Materials beruht.
Diese in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung autonomer Materialien, die sich ohne externe Steuerung anpassen und entwickeln können. Langfristig könnten sie Anwendungen in der adaptiven Optik, dem Wärmemanagement, intelligenten Sensoren oder sogar Vorrichtungen finden, die, ähnlich wie biologische Systeme, nach programmierten Rhythmen funktionieren können.