Dynamic and Stimuli-Responsive Multi-Phase Emulsion Droplets for Optical Components

این پایان نامه مبتنی بر نوآوری های اخیر در طراحی قطره امولسیون چند فازی است تا نشان دهد که مورفولوژی امولسیون انواع مفیدی از پدیده های نوری پویا را امکان پذیر می کند. علیرغم ماهیت بسیار پویا مورفولوژی های سیال و کاربرد آنها برای مواد و دستگاه های نوری پویا و پاسخگو به محرک ها، ماده سیال در فناوری نوری کمتر معرفی شده است. این پایان نامه با استفاده از قطرات امولسیون دو فازی به عنوان اجزای ریز نوری انکساری، لنزهای ترکیبی سیال در مقیاس میکرو را با خواص نوری که در پاسخ به تغییرات در غلظت‌های شیمیایی، روشنایی ساختاری و گرادیان‌های حرارتی متفاوت است، محقق می‌کند. ملاحظات نظری امولسیون‌ها به‌عنوان اجزای نوری برای توضیح یک پدیده تداخل نوری با بازتاب داخلی که قبلاً شناسایی نشده بود در قطرات امولسیون استفاده می‌شود که منجر به رنگ‌بندی ساختاری غنی می‌شود. در حالی که این کار بر روی اپتیک اساسی قطرات امولسیون متمرکز شده است، همچنین استفاده از مورفولوژی امولسیون ساطع کننده نور را به عنوان مبدل های شیمیایی-اپتیکی برای تشخیص پاتوژن های منتقله از غذا در مراحل اولیه تسهیل می کند. این پایان نامه به زیبایی مزیت اکتشاف بین رشته ای بنیادی سیستم های مواد غیر متعارف را در رابط اپتیک، شیمی و علم مواد و مزایای ناشی از ترجمه دانش کسب شده به سناریوهای کاربردی خاص نشان می دهد.

This thesis builds on recent innovations in multi-phase emulsion droplet design to demonstrate that emulsion morphologies enable a useful variety of dynamic optical phenomena. Despite the highly dynamic nature of fluid morphologies and their utility for stimuli-responsive, dynamic optical materials and devices, fluid matter is underrepresented in optical technology. Using bi-phase emulsion droplets as refractive micro-optical components, this thesis realizes micro-scale fluid compound lenses with optical properties that vary in response to changes in chemical concentrations, structured illumination, and thermal gradients. Theoretical considerations of emulsions as optical components are used to explain a previously unrecognized total internal reflection-enabled light interference phenomenon in emulsion droplets that results in rich structural coloration. While this work is focused on the fundamental optics of emulsion droplets, it also facilitates the use of light-emitting emulsion morphologies as chemo-optical transducers for early-stage food-borne pathogen detection. This thesis beautifully demonstrates the virtue of fundamental interdisciplinary exploration of unconventional material systems at the interface of optics, chemistry, and materials science, and the benefits arising from translation of the acquired knowledge into specific application scenarios.