手性纳米颗粒为3D显示和实时全息技术从概念跨入现实

1977年的星球大战首次将全息影像技术搬上荧幕，前所未有的视觉盛宴震惊了世人。可是，为什么这么多年来，如此炫酷的全息影像技术或相关光学设备没有能够进入我们的日常生活呢？这是因为该技术通过磁场改变光的传播路径而实现，可是其使能材料却非常昂贵、易碎且透光性较差，有些材料还仅能在低温真空环境中工作。

据麦姆斯咨询报道，来自美国密歇根大学和巴西圣卡洛斯联邦大学的研究人员，开发出了一种悬浮在胶体中，并能在室温下正常工作的低成本纳米颗粒，能够以大幅降低的成本替代传统材料。这种新型纳米颗粒使利用磁场来调制光成为可能，其潜在应用包括自动驾驶汽车、空间通讯以及光无线网络。目前，铕、铈和钇等昂贵的稀土金属已经应用于利用磁场来控制光或光信号的传播路径、速度以及光强。这些贵金属已经在高速光纤互联网光缆中获得了商业应用。但是，这些元素高昂的成本和工作温度要求，使其难以获得大规模应用。成本经济且能在室温实现偏振光磁场控制的解决方案，或能带来大众市场广泛应用的3D显示、全息投影以及新一代LiDAR（激光雷达）。LiDAR是为自动驾驶汽车带来“慧眼”的主要技术之一。“许多公司和实验室利用磁光学技术开发出了令人兴奋的原型产品，”该项目负责人密歇根大学化学工程教授Nicholas Kotov说，“但是，他们的技术目前还受限于所需要的磁光学基础稀土材料。这就像玩魔方，一边完成了可是另一边又乱了。”

本项目的研究成果已经发表在Science《科学》杂志上，研究人员详细介绍了他们如何利用低成本氧化钴（一种白色的磁性半导体材料）纳米颗粒，通过磁场来控制偏振光。研究人员发现，这项技术的关键在于对这些纳米颗粒进行氨基酸涂层，使其获得左旋或右旋的手性，从而实现纳米颗粒本身的“扭转”。

手性广泛存在于自然界中，在多种学科中表示一种重要的对称特点。如果某物体与其镜像不同，则其被称为“手性的”，且其镜像是不能与原物体重合的，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。具有手性的分子具有旋光活性，使偏振光的振动面发生旋转纳米颗粒的手性使其对磁场具有高灵敏度，也增强了和偏振光或 “圆偏正光”的相互作用。研究人员展示了将纳米颗粒悬浮在透明、弹性的室温胶体中，通过对其施加磁场，可以改变圆偏正光的强度。

“该技术将为磁光学器件的广泛应用铺平道路，将使那些利用圆偏正光的新兴3D显示和实时全息技术从令人兴奋的概念跨入现实，”还作为材料科学和工程教授的Kotow称，“不仅如此，这种纳米颗粒微小的尺寸还使其可以用于计算工程应用，以及磁光学复合材料的大规模制造。