Dicen que el nano y el microcosmos no tienen color, porque el tamaño de partícula es menor que la longitud de onda. En consecuencia, las propiedades de onda de la luz, como la difracción y la interferencia, prevalecen sobre la absorción ordinaria, la reflexión. Sin embargo, hay muchos ejemplos asombrosos en la naturaleza, cuando el color se forma precisamente debido a microestructuras, como las mariposas o los cristales de ópalo.
Si la Naturaleza tardó millones de años de evolución en crear toda la variedad de colores, entonces los científicos y físicos materiales en las últimas décadas han aprendido a "sintetizar" literalmente los colores en el laboratorio. Para los logros de la ciencia en el campo de los metamateriales y el color, pero las microestructuras incoloras, ¡bienvenido a cat!
En lugar del prólogo
¿Qué es el meta material? Un metamaterial es un material cuyas propiedades están determinadas no tanto por las propiedades de sus componentes constituyentes, sino principalmente por la forma en que estos componentes están ubicados entre sí en el espacio, en otras palabras, la periodicidad creada artificialmente.
A continuación se muestra un resumen de tres trabajos interesantes, en mi opinión, publicados recientemente en revistas científicas de primera clase. Todos ellos están dedicados a la creación de metamateriales a partir de diversos materiales, tanto clásicos como exóticos.
Clásicos del género: nanopartículas metálicas y resonancia plasmática.
Muchos metales en el estado nanodisperso (lectura, nanopartículas) tienen la llamada resonancia de plasmón. En pocas palabras, las vibraciones colectivas de una nube de electrones "ligeros" cerca de un esqueleto "pesado" de átomos de metal bajo la influencia de la luz (o cualquier otra onda electromagnética). Escribí más sobre esto
aquí .
Esta propiedad es ampliamente conocida, por ejemplo, para el oro, el cobre, el aluminio y la plata, y se manifiesta en forma de un pico de absorción resonante de luz. Cuando dos o más de estas partículas están cerca, surge un efecto de influencia mutua, que se expresa en el cambio de los picos y la aparición de nuevos. Por lo tanto, es posible "ajustar" la longitud de onda de la radiación absorbida y, en consecuencia, cambiar el color de la estructura que consiste en tales nanopartículas.
Un grupo de científicos chinos, junto con sus colegas de Suiza, propuso el uso de discos de plata separados por un dieléctrico - alúmina como bloques estructurales para crear meta-materiales.
(a) Representación esquemática de nanodiscos de plata en la superficie de un sustrato y la propagación de una onda electromagnética entre ellos. (b) Imagen de una muestra real obtenida por microscopía electrónica. (c) Los llamados modos plasmón de un nanodisco individualPor sí mismas, las partículas de plasmón tienen un espectro demasiado amplio para ser utilizadas directamente para producir colores "puros". Sin embargo, los autores hicieron un cierto truco, separando los discos de plasmón con una capa de óxido de aluminio dieléctrico. El principio principal que subyace a esta idea es utilizar modos híbridos, que tienen un pico mucho más estrecho en el modo de reflexión y una absorción más completa en el modo de transmisión con una elección adecuada de radio y período. Por lo tanto, al ajustar el tamaño y la disposición espacial de los discos compuestos (por ejemplo, el paso de empaque) dentro del "píxel" de la imagen, puede crear una gama a todo color: del rojo al azul-violeta.
Las muestras obtenidas en luz reflejada (izquierda) y transmitida (derecha): la primera línea son las fotografías ópticas de las muestras, la segunda línea son los datos de simulación y la tercera línea son los resultados obtenidos experimentalmenteDesafortunadamente, el proceso de crear tales estructuras es bastante laborioso e incluye muchas etapas de alta tecnología, como la deposición capa por capa, el patrón del haz de electrones e incluso el grabado de iones. Sin embargo, los científicos confían en que este trabajo será otro paso hacia la creación de una plataforma para imprimir utilizando colores "estructurales", así como estándares para la reproducción de colores de alta precisión.
Un ejemplo de la aplicación de esta tecnología: las abreviaturas de las dos universidades involucradas en el proyecto, "impresas" con tintas plasmónicasEl artículo original, " Generación a todo color utilizando nanodiscos en tándem plateado " , se publica en ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ).No partículas metálicas y superficies
Los científicos del Instituto de Tecnología de Harbin y la Universidad de Shanxi demostraron otro ejemplo de creación de colores estructurales. En lugar de nanopartículas metálicas, propusieron el uso de dióxido de titanio (TiO
2 ). Una de las características de este material es su índice de refracción relativamente alto (> 2) en comparación con otros materiales. Esta propiedad de TiO
2 , por ejemplo, se usa ampliamente en la creación de cristales fotónicos (
uno y
dos ).
La idea principal es utilizar la interferencia del rayo incidente y reflejado para aislar la longitud de onda deseada del espectro, lo que da color a la estructura. Después de modelar y ajustar los parámetros de la estructura y los modos de resonancia correspondientes a la parte visible del espectro, los investigadores pudieron controlar el color cambiando el tamaño de los elementos de la estructura.
El proceso de fabricación propuesto para dicho metamaterial incluye menos procesos tecnológicamente complejos: litografía de haz de electrones para crear un patrón y rociar una capa de dióxido de titanio de la fase gaseosa, seguido de la disolución y eliminación de la fotorresistencia. Por lo tanto, el proceso de producción es más simple que para los nanodiscos de plata descritos anteriormente, para lo cual estos pasos se repiten varias veces.
El proceso de producción de metamaterial basado en TiO 2 . (a) Diagrama del proceso. (bc) Micrografías de las estructuras resultantes (aumento bajo y alto, marcas de escala de 100 micras y 500 nm, respectivamente). (df) Patrones recibidos y sus colores correspondientes (marca de escala - 1 micrón)Como resultado, se obtuvieron muestras que cubren una parte significativa de la gama de colores: hay tonos azules, rojos y verdes. Si continuamos la comparación con las partículas de plasmón, los metamateriales basados en TiO2 mostraron una cobertura de gama de colores más amplia.
Espectros de reflexión y colores estructurales correspondientes. (a) Espectros de reflexión simulados y obtenidos experimentalmente de una de las metaestructuras. (b) Calculado (negro) y ajustado (rojo) de acuerdo con los colores estándar CIE 1931. (cd) La dependencia del color en el período de la estructura obtenida y la distancia entre las pirámides adyacentesPero los autores del trabajo no se detuvieron allí. Para mostrar la aplicabilidad de la tecnología para crear imágenes multicolores complejas, "dibujaron" el escudo de armas de la Universidad de Harbin. En este caso, se utilizaron diferentes colores y tonos.
Un ejemplo de creación de una imagen a partir de metaestructuras de TiO 2 . (a) Micrografía obtenida por microscopio electrónico. Imágenes en luz reflejada (b) y transmitida (c). (d) Imagen en luz polarizada. Etiqueta de escala - 159 micrasEl artículo original, All-Dielectric Full-Color Printing with TiO 2 Metasurfaces , se publica en ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ).¿Qué pasa con el vidrio ordinario?
El último ejemplo de hoy es el uso del vidrio ordinario y la física no del todo común para crear metamateriales y colores estructurales. La idea principal de este trabajo es que puede imprimir utilizando el sello "maestro" en casi cualquier superficie transparente, incluido el vidrio. Bajo dicho sello con un patrón dado, se vierte un gel especial, que se endurece bajo la influencia de la radiación ultravioleta y se convierte en un material similar al vidrio en propiedades. Este método se llama litografía de nanoimpresión.
El proceso de fabricación del metamaterial. (a) Preparación de un "sello" utilizando litografía de haz de electrones. (bd) Varias etapas del proceso de litografía de nanoprinting, como resultado de lo cual el patrón del sello se "imprime" en vidrio liso durante la polimerización de un gel especial. (e) Una micrografía óptica del patrón resultante. (f) Perfil del patrón "impreso" (las estructuras resultantes tienen un ancho de aproximadamente 200 micras y una altura de solo 50-60 nanómetros)Las estructuras resultantes pueden ser de la forma más diversa: líneas rectas o curvas, huecos o viceversa protuberancias masivas. Si se eligen líneas rectas como patrón, obtenemos la rejilla de difracción habitual, que se representa en el KDPV.
Sin embargo, si combina varias estructuras similares en una (por ejemplo, con un período diferente, grosores de tira diferentes, etc.) e incluso la dobla, entonces la magia incomprensible de la física comienza a funcionar. La luz incidente y absorbida en algunas partes de la estructura se transfiere dentro de ella, como dentro de una fibra óptica, y "sale" a la superficie en otras áreas.
Fotografías de dos muestras de vidrio cuyos patrones están "sintonizados" para mostrar diferentes colores (a) o imágenes completas (b). Importante! bajo otras condiciones, como iluminación, ángulo de visión, etc., la imagen no es visible, vea el videoPor lo tanto, los colores literalmente "aparecen" solo en áreas específicas y en ángulos de visión dados. Para demostrar el efecto, los autores del trabajo publicaron el video correspondiente:
Esta tecnología, según los autores del trabajo, podrá encontrar su aplicación en el campo de la seguridad (por ejemplo, la protección de documentos y datos), así como en la creación de pantallas para gafas inteligentes.
El artículo original, Dirección de luz versátil y de color selectivo con óptica planar de longitud de onda subescalable , se publica en ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ).En lugar de una conclusión
En los últimos 10-15 años, se han realizado progresos significativos en el campo de los metamateriales. Todos los años, los científicos intentan llevar una vez más la abstracción física al desarrollo de la industria, hacer que los metamateriales sean masivos y encontrar su propio nicho para ellos.
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