يقولون أن النانو والصورة المصغرة ليس لهما لون ، لأن حجم الجسيمات أقل من الطول الموجي. وبناءً على ذلك ، فإن خصائص موجات الضوء ، مثل الانعراج والتداخل ، تسود على الامتصاص العادي ، الانعكاس. ومع ذلك ، هناك الكثير من الأمثلة المذهلة في الطبيعة ، عندما يتشكل اللون على وجه التحديد بسبب الهياكل الدقيقة ، مثل الفراشات أو بلورات العقيق.
إذا كانت الطبيعة قد استغرقت ملايين السنين من التطور لخلق كل الألوان المتنوعة ، فقد تعلم علماء المواد والفيزيائيون على مدى العقود القليلة الماضية "تجميع" الألوان في المختبر. من أجل إنجازات العلم في مجال المواد الفوقية واللون ، ولكن البنية المجهرية عديمة اللون ، مرحبًا بك في القط!
بدلا من المقدمة
ما هي المواد الفوقية؟ المادة الفوقية هي مثل هذه المادة التي لا يتم تحديد خصائصها كثيرًا بخصائص مكوناتها المكونة لها ، ولكن بشكل أساسي من خلال الطريقة التي يتم بها وضع هذه المكونات بالنسبة لبعضها البعض في الفضاء ، وبعبارة أخرى ، دورية تم إنشاؤها بشكل مصطنع.
فيما يلي نظرة عامة على ثلاثة أعمال مثيرة للاهتمام ، في رأيي ، نشرت مؤخرا في المجلات العلمية من الدرجة الأولى. كلهم مكرسون لإنشاء المواد الفوقية من مواد مختلفة ، كلاسيكية وغريبة.
كلاسيكيات هذا النوع: الجسيمات النانوية المعدنية ورنين البلازمون
العديد من المعادن في حالة النانو المتفرقة (اقرأ ، الجسيمات النانوية) لها ما يسمى رنين البلازمون. ببساطة ، الاهتزازات الجماعية لسحابة الإلكترون "الخفيفة" بالقرب من هيكل عظمي "ثقيل" للذرات المعدنية تحت تأثير الضوء (أو أي موجة كهرومغناطيسية أخرى). لقد كتبت المزيد عن هذا
هنا .
هذه الخاصية معروفة على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، للذهب والنحاس والألمنيوم والفضة ، وتتجلى في شكل ذروة امتصاص الرنين للضوء. عندما يكون اثنان أو أكثر من هذه الجسيمات في مكان قريب ، يظهر تأثير التأثير المتبادل ، والذي يتم التعبير عنه في تحول القمم وظهور جسيمات جديدة. وبالتالي ، من الممكن "ضبط" الطول الموجي للإشعاع الممتص ، وبالتالي ، تغيير لون الهيكل الذي يتكون من هذه الجسيمات النانوية.
اقترحت مجموعة من العلماء الصينيين ، مع زملائهم من سويسرا ، استخدام أقراص فضية مفصولة بأكسيد ألمنيوم عازل ككتل هيكلية لإنشاء المواد الفوقية.
(أ) التمثيل التخطيطي للأقراص النانوية الفضية على سطح الركيزة وانتشار الموجة الكهرومغناطيسية بينهما. (ب) صورة لعينة حقيقية تم الحصول عليها عن طريق المجهر الإلكتروني. (ج) ما يسمى بأوضاع البلاسمون لأقراص النانو الفرديةفي حد ذاتها ، تمتلك جسيمات البلازمون طيفًا واسعًا للغاية بحيث لا يمكن استخدامها مباشرة لإنتاج ألوان "نقية". ومع ذلك ، ذهب المؤلفون إلى حيلة معينة ، حيث فصلوا أقراص البلازمون بطبقة من عازل أكسيد الألومنيوم. المبدأ الأساسي الذي تستند إليه هذه الفكرة هو استخدام الأوضاع الهجينة ، التي لها ذروة أضيق بكثير في وضع الانعكاس وامتصاص أكثر اكتمالا في وضع الإرسال مع اختيار مناسب لنصف القطر والفترة. وهكذا ، من خلال تعديل الحجم والترتيب المكاني للأقراص المركبة (على سبيل المثال ، خطوة التعبئة) داخل "بكسل" الصورة ، يمكنك إنشاء مجموعة كاملة من الألوان: من الأحمر إلى الأزرق البنفسجي.
العينات التي تم الحصول عليها في الضوء المنعكس (الأيسر) والمرسل (الأيمن): السطر الأول هو الصور الضوئية للعينات ، والخط الثاني هو بيانات المحاكاة والخط الثالث هو النتائج التي تم الحصول عليها تجريبياًلسوء الحظ ، فإن عملية إنشاء مثل هذه الهياكل شاقة إلى حد ما وتتضمن العديد من المراحل ذات التقنية العالية ، مثل ترسيب طبقة تلو الأخرى ، ونمط شعاع الإلكترون ، وحتى النقش الأيوني. ومع ذلك ، فإن العلماء واثقون من أن هذا العمل سيكون خطوة أخرى نحو إنشاء منصة للطباعة باستخدام الألوان "الهيكلية" ، وكذلك معايير إعادة إنتاج الألوان عالية الدقة.
مثال على تطبيق هذه التقنية: اختصارات الجامعتين المشاركتين في المشروع ، "مطبوعة" بأحبار بلازميةتم نشر المقال الأصلي " جيل كامل الألوان باستخدام أقراص Nanodisks الفضية " في ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ).ليس الجسيمات المعدنية والأسطح
تم عرض مثال آخر على إنشاء الألوان الهيكلية من قبل علماء من معهد هاربين للتكنولوجيا وجامعة شانشي. بدلا من الجسيمات النانوية المعدنية ، اقترحوا استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2). واحدة من ميزات هذه المادة هي معامل الانكسار العالي نسبيًا (> 2) مقارنة بالمواد الأخرى. هذه الخاصية من TiO2 ، على سبيل المثال ، تستخدم على نطاق واسع في إنشاء بلورات ضوئية (
واحد واثنين ).
الفكرة الرئيسية هي استخدام تداخل الحادثة والحزمة المنعكسة لعزل الطول الموجي المطلوب من الطيف ، مما يعطي اللون للهيكل. بعد نمذجة وضبط معلمات الهيكل وأنماط الرنين المقابلة للجزء المرئي من الطيف ، تمكن الباحثون من التحكم في اللون عن طريق تغيير حجم عناصر الهيكل.
تتضمن عملية التصنيع المقترحة لمثل هذه المواد الفوقية عددًا أقل من العمليات المعقدة من الناحية التكنولوجية: الطباعة الحجرية بالشعاع الإلكتروني لإنشاء نمط ورش طبقة من ثاني أكسيد التيتانيوم من مرحلة الغاز ، متبوعًا بحل وإزالة مقاوم الضوء. وبالتالي ، تكون عملية الإنتاج أبسط من تلك التي تتناول أقراص النانو الفضية الموصوفة أعلاه ، والتي تتكرر هذه الخطوات عدة مرات.
عملية إنتاج المواد الفوقية على أساس TiO2. (أ) مخطط العملية. (bc) ميكروغرام للهياكل الناتجة (تكبير منخفض وعالي ، علامات المقياس 100 ميكرون و 500 نانومتر ، على التوالي). (df) الأنماط المستلمة وألوانها المقابلة (علامة المقياس - 1 ميكرون)ونتيجة لذلك ، تم الحصول على عينات تغطي جزءًا كبيرًا من مجموعة الألوان: هناك ظلال زرقاء وحمراء وخضراء. إذا واصلنا المقارنة مع جزيئات plasmon ، فإن المواد الفوقية المستندة إلى TiO2 أظهرت تغطية نطاق ألوان أوسع.
أطياف الانعكاس والألوان الهيكلية المقابلة. (أ) أطياف انعكاس محاكاة وتم الحصول عليها تجريبياً لأحد الهياكل الفوقية. (ب) محسوب (أسود) ومعدل (أحمر) وفقًا للألوان القياسية CIE 1931. (cd) اعتماد اللون على فترة البناء المكتسب والمسافة بين الأهرامات المجاورةلكن مؤلفي العمل لم يتوقفوا عند هذا الحد. لإظهار قابلية تطبيق التكنولوجيا لإنشاء صور معقدة متعددة الألوان ، قاموا "برسم" شعار النبالة لجامعة هاربين. في هذه الحالة ، تم استخدام ألوان وظلال مختلفة.
مثال على إنشاء صورة من الهياكل الفوقية TiO2. (أ) صورة مجهرية تم الحصول عليها بواسطة المجهر الإلكتروني. الصور المنعكسة (ب) والضوء المنقول (ج). (د) الصورة في ضوء مستقطب. تسمية النطاق - 159 ميكرونتم نشر المقالة الأصلية ، All-Dielectric Full-Color Printing with TiO 2 Metasurfaces ، في ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ).ماذا عن الزجاج العادي؟
آخر مثال لهذا اليوم هو استخدام الزجاج العادي وليس الفيزياء العادية تمامًا لإنشاء المواد الفوقية والألوان الهيكلية. الفكرة الرئيسية لهذا العمل هي أنه يمكنك الطباعة باستخدام الطابع "الرئيسي" على أي سطح شفاف تقريبًا ، بما في ذلك الزجاج. تحت هذا الختم بنمط معين ، يتم سكب هلام خاص ، والذي يتجمد تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ويتحول إلى مادة شبيهة بالزجاج في الخصائص. تسمى هذه الطريقة الطباعة الحجرية النانومترية.
عملية تصنيع المواد الفوقية. (أ) إعداد "ختم" باستخدام الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية. (ب د) مراحل مختلفة من عملية الطباعة الحجرية بالطباعة النانوية ، ونتيجة لذلك يتم "طباعة" نمط الأختام على زجاج ناعم أثناء بلمرة جل خاص. (هـ) صورة مجهرية بصرية للنموذج الناتج. (و) لمحة عن النمط "المطبوع" (يبلغ عرض الهياكل الناتجة حوالي 200 ميكرون وارتفاع 50-60 نانومتر فقط)يمكن أن تكون الهياكل الناتجة أكثر الأشكال تنوعًا: خطوط مستقيمة أو منحنية أو فراغات أو بالعكس انتفاخات ضخمة. إذا تم اختيار الخطوط المستقيمة كنمط ، فإننا نحصل على صريف الحيود المعتاد ، والذي تم تصويره على KDPV.
ومع ذلك ، إذا قمت بدمج العديد من الهياكل المتشابهة في واحد (على سبيل المثال ، مع فترة مختلفة ، وسمك شريط مختلف ، وما إلى ذلك) وحتى ثنيها ، فإن السحر غير المفهوم للفيزياء يبدأ في العمل. يتم نقل حادث الضوء وامتصاصه في بعض أجزاء الهيكل داخله ، كما هو الحال داخل الألياف الضوئية ، و "يخرج" إلى السطح في مناطق أخرى.
صور لعينتين زجاجيتين تم "ضبطهما" لعرض ألوان مختلفة (أ) أو صور كاملة (ب). هام! تحت ظروف أخرى ، مثل الإضاءة وزاوية العرض وما إلى ذلك ، فإن الصورة غير مرئية ، راجع الفيديووهكذا ، فإن الألوان "تظهر" حرفياً فقط في مناطق محددة وفي زوايا مشاهدة معينة. لإثبات التأثير ، نشر مؤلفو العمل الفيديو المقابل:
هذه التقنية ، وفقًا لمؤلفي العمل ، ستكون قادرة على العثور على تطبيقها في مجال الأمان (على سبيل المثال ، حماية المستندات والبيانات) ، وكذلك في إنشاء شاشات للنظارات الذكية.
تم نشر المقالة الأصلية ، توجيه الضوء الانتقائي ومتعدد الاستخدامات مع البصريات المستوية ذات الطول الموجي الفرعي القابل للترقية ، في ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ).بدلا من الاستنتاج
على مدى السنوات 10-15 الماضية ، تم إحراز تقدم كبير في مجال المواد الفوقية. يحاول العلماء كل عام أن يجلبوا مرة التجريد المادي لتطوير الصناعة ، وجعل المواد الفوقية ضخمة ويجدون مكانهم الخاص بهم.
ملاحظة: لا تنسى
الاشتراك ، والكتابة عن أوجه القصور المذكورة في النص في الشبكة المحلية.