Méta-matériaux: illusions d'optique de couleur structurelle

Ils disent que le nano et le microcosme n'ont pas de couleur, car la taille des particules est inférieure à la longueur d'onde. En conséquence, les propriétés ondulatoires de la lumière, telles que la diffraction et les interférences, prévalent sur l'absorption et la réflexion ordinaires. Cependant, il existe de nombreux exemples étonnants dans la nature, lorsque la couleur se forme précisément en raison de micro-structures, telles que les papillons ou les cristaux d'opale.

Si la nature a mis des millions d'années d'évolution pour créer toute la variété des couleurs, alors les scientifiques et physiciens des matériaux au cours des dernières décennies ont appris à «synthétiser» littéralement les couleurs en laboratoire. Pour les réalisations de la science dans le domaine des méta-matériaux et des microstructures incolores mais colorées, bienvenue chez cat!

Au lieu de l'avant-propos

Qu'est-ce que le méta-matériau? Un métamatériau est un tel matériau dont les propriétés sont déterminées non pas tant par les propriétés de ses composants, mais principalement par la façon dont ces composants sont situés les uns par rapport aux autres dans l'espace, en d'autres termes, la périodicité créée artificiellement.

Voici un aperçu de trois travaux intéressants, à mon avis, récemment publiés dans des revues scientifiques de premier ordre. Tous sont consacrés à la création de métamatériaux à partir de divers matériaux, à la fois classiques et exotiques.

Classiques du genre: nanoparticules métalliques et résonance plasmon

De nombreux métaux à l'état nanodispersé (lecture, nanoparticules) ont la soi-disant résonance plasmon. Autrement dit, les vibrations collectives d'un nuage d'électrons «léger» près d'un squelette «lourd» d'atomes métalliques sous l'influence de la lumière (ou de toute autre onde électromagnétique). J'ai écrit plus à ce sujet ici .

Cette propriété est largement connue, par exemple, pour l'or, le cuivre, l'aluminium et l'argent, et elle se manifeste sous la forme d'un pic d'absorption résonante de la lumière. Lorsque deux ou plusieurs de ces particules sont proches, un effet d'influence mutuelle se produit, qui s'exprime par le déplacement des pics et l'apparition de nouveaux. Ainsi, il est possible de "régler" la longueur d'onde du rayonnement absorbé, et en conséquence, de changer la couleur de la structure constituée de telles nanoparticules.

Un groupe de scientifiques chinois, avec leurs collègues de Suisse, a proposé d'utiliser des disques d'argent séparés par un diélectrique - oxyde d'aluminium comme blocs structurels pour créer des méta-matériaux.


(a) Représentation schématique des nanodisques d'argent à la surface d'un substrat et la propagation d'une onde électromagnétique entre eux. (b) Image d'un échantillon réel obtenu par microscopie électronique. (c) Les modes dits plasmoniques d'un nanodisque individuel

À elles seules, les particules de plasmon ont un spectre trop large pour être utilisées directement pour produire des couleurs «pures». Cependant, les auteurs sont allés à une certaine astuce, séparant les disques plasmon avec une couche d'oxyde d'aluminium diélectrique. Le principe principal qui sous-tend cette idée est d'utiliser des modes hybrides, qui ont un pic beaucoup plus étroit en mode réflexion et une absorption plus complète en mode transmission avec un choix approprié de rayon et de période. Ainsi, en ajustant la taille et la disposition spatiale des disques composites (par exemple, l'étape d'emballage) à l'intérieur du «pixel» de l'image, vous pouvez créer une gamme de couleurs complète: du rouge au bleu-violet.


Les échantillons obtenus en lumière réfléchie (à gauche) et transmise (à droite): la première ligne est les photographies optiques des échantillons, la deuxième ligne est les données de simulation et la troisième ligne est les résultats obtenus expérimentalement

Malheureusement, le processus de création de telles structures est plutôt laborieux et comprend de nombreuses étapes de haute technologie, telles que le dépôt couche par couche, la structuration du faisceau d'électrons et même la gravure ionique. Néanmoins, les scientifiques sont convaincus que ce travail sera une autre étape vers la création d'une plate-forme d'impression utilisant des couleurs "structurelles", ainsi que des normes de reproduction des couleurs de haute précision.


Un exemple d'application de cette technologie: les abréviations des deux universités impliquées dans le projet, «imprimées» avec des encres plasmoniques

L'article original, « Full Color Generation Using Silver Tandem Nanodisks », est publié dans ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ).

Pas de particules et de surfaces métalliques

Un autre exemple de création de couleurs structurelles a été démontré par des scientifiques du Harbin Institute of Technology et de l'Université du Shanxi. Au lieu de nanoparticules métalliques, ils ont proposé l'utilisation de dioxyde de titane (TiO ₂ ). L'une des caractéristiques de ce matériau est son indice de réfraction relativement élevé (> 2) par rapport à d'autres matériaux. Cette propriété de TiO ₂ , par exemple, est largement utilisée dans la création de cristaux photoniques ( un et deux ).

L'idée principale est d'utiliser l'interférence du faisceau incident et réfléchi pour isoler la longueur d'onde souhaitée du spectre, ce qui donne de la couleur à la structure. Après avoir modélisé et ajusté les paramètres de la structure et les modes de résonance correspondants à la partie visible du spectre, les chercheurs ont pu contrôler la couleur en modifiant la taille des éléments de la structure.

Le procédé de fabrication proposé pour un tel méta-matériau comprend moins de processus technologiquement complexes: lithographie par faisceau d'électrons pour créer un motif et pulvérisation d'une couche de dioxyde de titane à partir de la phase gazeuse, suivie de la dissolution et de l'élimination de la résine photosensible. Ainsi, le processus de production est plus simple que pour les nanodisques d'argent décrits ci-dessus, pour lesquels ces étapes sont répétées plusieurs fois.


Le processus de production de méta-matériau à base de TiO ₂ . (a) Diagramme de processus. (bc) Micrographies des structures résultantes (grossissement faible et élevé, graduations de 100 microns et 500 nm, respectivement). (df) Motifs reçus et leurs couleurs correspondantes (repère d'échelle - 1 micron)

En conséquence, des échantillons ont été obtenus qui couvrent une partie importante de la gamme de couleurs: il existe des nuances de bleu, de rouge et de vert. Si nous continuons la comparaison avec les particules de plasmon, les méta-matériaux à base de TiO2 ont montré une couverture de gamme de couleurs plus large.


Spectres de réflexion et couleurs structurelles correspondantes. (a) Spectres de réflexion simulés et obtenus expérimentalement d'une des méta-structures. (b) Calculé (noir) et ajusté (rouge) conformément aux couleurs standard CIE 1931. (cd) La dépendance de la couleur sur la période de la structure obtenue et la distance entre les pyramides adjacentes

Mais les auteurs de l'ouvrage ne se sont pas arrêtés là. Pour montrer l'applicabilité de la technologie pour créer des images multicolores complexes, ils ont «dessiné» les armoiries de l'Université de Harbin. Dans ce cas, différentes couleurs et nuances ont été utilisées.


Un exemple de création d'une image à partir de méta-structures TiO ₂ . (a) Micrographie obtenue au microscope électronique. Images en lumière réfléchie (b) et transmise (c). (d) Image en lumière polarisée. Étiquette de balance - 159 microns

L'article original, All-Dielectric Full-Color Printing with TiO ₂ Metasurfaces , est publié dans ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ).

Et le verre ordinaire?

Le dernier exemple en date est l'utilisation de verre ordinaire et d'une physique pas tout à fait ordinaire pour créer des méta-matériaux et des couleurs structurelles. L'idée principale de ce travail est que vous pouvez imprimer en utilisant le tampon "maître" sur presque toutes les surfaces transparentes, y compris le verre. Sous un tel tampon avec un motif donné, un gel spécial est coulé, qui durcit sous l'influence des rayons ultraviolets et se transforme en un matériau similaire au verre dans ses propriétés. Cette méthode est appelée lithographie par nanoimpression.


Le processus de fabrication du méta-matériau. a) Préparation d'un "timbre" par lithographie par faisceau d'électrons. (b quinquies) Différentes étapes du processus de lithographie par nano-impression, à la suite desquelles le motif du tampon est «imprimé» sur du verre lisse pendant la polymérisation d'un gel spécial. (e) Une micrographie optique du motif résultant. (f) Profil du motif «imprimé» (les structures résultantes ont une largeur d'environ 200 microns et une hauteur de seulement 50 à 60 nanomètres)

Les structures qui en résultent peuvent être de la forme la plus diversifiée: lignes droites ou courbes, vides ou inversement, renflements massifs. Si les lignes droites sont choisies comme motif, nous obtenons alors le réseau de diffraction habituel, qui est représenté sur le KDPV.

Cependant, si vous combinez plusieurs structures similaires en une seule (par exemple, avec une période différente, des épaisseurs de bande différentes, etc.) et même la pliez, la magie incompréhensible de la physique commence à fonctionner. La lumière incidente et absorbée dans certaines parties de la structure est transférée à l'intérieur, comme à l'intérieur d'une fibre optique, et «ressort» à la surface dans d'autres zones.


Photographies de deux échantillons de verre dont les motifs sont «réglés» pour montrer différentes couleurs (a) ou des images à part entière (b). Important! dans d'autres conditions, telles que l'éclairage, l'angle de vue, etc., l'image n'est pas visible, voir la vidéo

Ainsi, les couleurs «n'apparaissent» littéralement que dans des zones spécifiées et à des angles de vue donnés. Pour démontrer l'effet, les auteurs de l'ouvrage ont posté la vidéo correspondante:

• Trois pixels couleur apparaissent ensemble uniquement sous un certain angle (vidéo 5 sur le site Web de l'éditeur et miroir sur Y.disk )
• Deux objets complètement différents peuvent être placés au même endroit selon l'angle de vue (vidéo 6 sur le site Web de l'éditeur et miroir sur Y.disk )

Cette technologie, selon les auteurs de l'ouvrage, pourra trouver son application dans le domaine de la sécurité (par exemple, la protection des documents et des données), ainsi que dans la création d'écrans pour lunettes intelligentes.

L'article original, Color Light Selective and Versatile Light Steering with up-Scalable Subwavelength Planar Optics , est publié dans ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ).

Au lieu d'une conclusion

Au cours des 10 à 15 dernières années, des progrès importants ont été réalisés dans le domaine des méta-matériaux. Chaque année, les scientifiques tentent d'apporter une fois l'abstraction physique au développement de l'industrie, de faire des méta-matériaux massifs et de trouver leur propre niche.

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