材料科学家揭示设计具有特殊性能的光学材料的途径 或可提高自动驾驶汽车的夜间驾驶性能

盖世汽车讯 虽然无序被通常认为是一件坏事，但由圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）的Rohan Mishra和南加利福尼亚大学（University of Southern California，USC）的Jayakanth Ravichandran领导的材料科学研究小组透露，当涉及到某些晶体，一点点的结构紊乱可能会对有用的光学特性产生很大的影响。

据外媒报道，在期刊《Advanced Materials》发表的一项研究中，第一作者Boyang Zhao（与Ravichandran一起工作的USC材料科学研究生）和Guodong Ren（与Mishra一起工作的华盛顿大学材料科学与工程研究所研究生）描述了一种因结构无序带来的新颖光学和电子特性。

图片来源：期刊《Advanced Materials》

研究人员发现，晶体原子结构中几皮米的微小位移（是一张纸的厚度的1/100,000）可能对一个方向的光学特性影响最小，但从另一个方向观察时会产生巨大的功能增强角度。

在这种情况下，材料的折射率，或者光通过时弯曲或偏离其原始路径的程度，会随着原子无序性而发生巨大变化。

这种功能增强可以在成像、遥感甚至医学领域有实际应用。通过控制原子无序程度以实现所需的光学特性，研究人员预计开发出能够在低光条件下实现先进红外成像的晶体，例如，提高夜间驾驶的自动驾驶汽车或医疗成像设备的性能。

当从不同方向测量或观察时，材料具有不同的属性或行为，这称为各向异性。各向异性材料具有不同的特性，具体取决于如何看待，这会对光传输、机械行为以及对相机等日常设备的功能至关重要的其他物理或电气特性产生巨大影响。

该团队研究的材料是硫化钛钡（BaTiS3），一种六方晶体，已知具有很大的光学各向异性，但科学家们无法弄清楚其中的原因。华盛顿大学、南加州大学和各个国家实验室的团队经过多年的反复合作，最终破解了谜题。

“我们发现理论和实验之间存在巨大差异——以不同角度照射材料会导致光学特性产生巨大差异，但原因尚不清楚，”华盛顿大学麦凯维工程学院（McKelvey School of Engineering）机械工程与材料科学副教授Mishra表示。“事实证明，关键在于结构不稳定性，导致某些原子（在本例中为钛原子）以无序的方式从更对称的位置移开。高分辨率同步加速器实验中出现了小的各向异性位移，然后我们知道使用电子显微镜仔细观察原子结构。”

Ravichandran补充说：“皮米级的位移非常小，只有专门寻找才能找到。”即使用于尖端材料科学研究，这种精细的细节通常也不需要，因为光振动如此之快，以至于可以平滑材料中的局部缺陷。

Mishra和Ravichandran表示，Ren和Zhao必须查阅每一个假设和理论，以找出如何解释理论与实验之间的不匹配，并指出只有通过合作才能解决这个谜团。

研究人员结合使用单晶X射线衍射、固态核磁共振和扫描透射电子显微镜等先进技术，发现了BaTiS3中钛原子各向异性原子位移的证据。这些极其微小的皮尺度位移发生在材料内的局部簇中，但它们对整体光学特性产生了深远的影响。

“关键是微小的位移可以产生巨大的影响，”Mishra表示。“我们仍在探索温度等因素如何改变这种材料的光学特性，但通过这项研究，我们对结构紊乱和光学响应之间的关系有了深入的了解。这将有助于我们继续发现新材料和功能。”