科学小发明小制作信息稿（科学小发明小制作PPT）

投稿用户 • 2022年7月10日 pm2:40 • 创业干货 • 阅读 313

通过检查凝胶，这种凝胶是由添加二氧化硅纳米粒子的去角质溶液形成的，并随着温度的升高而固化，科学家们发现了一种不寻常且以前未知的光学现象。

凝胶材料的可见光透射带的温度依赖性。在 29 度时，凝胶仅透射红光，而在 27 度时 – 蓝色。剩余的波长被强烈散射，在铭文位置及其周围以漫射辉光的形式很明显。在 20 度时，材料变成透明液体。

在日常生活和科学的各个技术领域中经常遇到的任务之一是将某些波长和频率的电磁辐射通过任何设备，但不让其他所有设备通过。简单地说，就是制作一个电磁辐射过滤器，其中包括用于相机的过滤器和收音机中的调谐电路。滤光片最重要的特性是它的波段——它传输或吸收的波长范围。

凝胶材料在不同温度下的透光率

无线电波滤波器通常正好通过所需的波长范围。此外，它们不难定制：无线电波滤波器由电子元件组成，其参数可以调整。

在较短波长的电磁辐射（例如可见光）下，制造可调谐滤波器要困难得多。电子元件不能在这样的频率下工作。简单的过滤器使用染料，但它们具有固定的吸收带。这些带的宽度和位置由它们的分子结构决定，在分子中，通常不能简单地拿走和调整一些东西。

由于染料的吸收带组是有限且固定的，因此根据干涉现象等物理现象制作可调滤光片，这些都是相当复杂的装置。

由美国国家标准与技术研究院 (美国) 的科学家团队，由Yuyin Xi领导，创造了一种用于可调谐滤光片的材料，其带宽的位置可以通过简单的加热和冷却来调节。他们在《自然》杂志上报告了他们的发展。

这个发现有些意外。这项工作的作者研究了凝胶材料的特性，这种材料类似于硅胶，可用于电池、水过滤器、人造生物组织的创建以及许多其他技术。

这种神奇材料的配方非常简单。它由三部分组成：有机溶剂2,6-二甲基吡啶（二甲基吡啶）、水和直径为27纳米的球形二氧化硅（二氧化硅）纳米颗粒。

凝胶不寻常特性的第一部分是它会随着温度的升高而变硬。在低于 26 摄氏度的温度下，二甲基吡啶与水混合，当加热时，溶解度下降，液体分为两层或两相——二甲基吡啶水溶液和二甲基吡啶水溶液。化学家知道许多以这种方式表现的系统，但这里选择的组件是为了使纳米粒子倾向于处于两个相之一 – 在水中。

分离前，颗粒均匀分布在液体中，形成清澈的胶体溶液。分层使它们“聚集”在水相的体积中 – 是以前的一半。颗粒相互接触并粘附，在它们形成的那一刻固定水相区域并防止它们相互融合。结果，形成了一种固体结构，其中水相和有机相在微观尺度上交替。

凝胶材料的结构。蓝色表示水相，黄色表示有机相，灰色表示二氧化硅纳米球。所描绘区域的大小从左到右减小，左侧约为 25 微米，中间为 0.3 微米，右侧为 0.08 微米。分子没有按比例显示；它们比纳米球小十倍。

我们特别注意到二氧化硅颗粒的尺寸（27 纳米）远小于可见光的波长（400 – 760 纳米），因此它们与水形成一个整体。相位部分的尺寸达到三到四微米，因此光“注意到”它们并未被强烈散射，反复穿过它们的边界。

水、二氧化硅和二甲基吡啶是无色的，那么是什么赋予了凝胶颜色呢？事实证明，这全都与折射率和色散有关——它们与波长有关，因此物质对蓝光的折射比对红光的折射更多。在溶液中，折射率取决于成分，而在分层液体中，每一层的成分在很大程度上取决于温度，正如盐在水中的溶解度会发生变化一样。

二甲基吡啶和二氧化硅具有高折射率，而水具有低折射率。

加热时，有机相含有较多的二甲基吡啶和较少的水，其折射率增加。相反，在水-二氧化硅相中，二甲基吡啶的浓度随加热而降低，折射率也随之降低。在一定温度下，它们变得相等，散射消失，因为光在相界处的偏转只有在折射率不同时才会发生。

水相（蓝色曲线）和有机相（黄色曲线）中折射率（Refractive Index）对波长（Wavelength）的依赖性。实线对应低温，虚线对应高温。随着温度的升高，黄色曲线向上移动，蓝色曲线向下移动（用黑色箭头表示）。交点从左向右移动，即向红灯方向移动。

并且这种归零只发生在某个波长处，因为两相的折射率对波长的依赖性也不同。在光谱的一端，二甲基吡啶相的折射光比水-二氧化硅相稍少，而在另一端则稍强，中间达到相等。在不同的温度下，交点在不同的波长。

透射波长对温度的依赖性非常强。在正 27.1 度时，该材料会透射蓝光，而在 27.7 度时，它已经是绿色了。原型中的带宽也很不理想，达到了几十纳米。但发现是一回事，实际应用是另一回事：即使在如此简单的情况下，第二个也不会紧跟第一个。寻找在加热时改变颜色的滤光片的最佳材料和设计仍处于领先地位。

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