मेटा-सामग्री: संरचनात्मक रंग के ऑप्टिकल भ्रम

वे कहते हैं कि नैनो- और सूक्ष्म जगत का कोई रंग नहीं है, क्योंकि कण का आकार तरंग दैर्ध्य से कम है। तदनुसार, प्रकाश के तरंग गुण, जैसे विवर्तन और हस्तक्षेप, सामान्य अवशोषण, प्रतिबिंब पर प्रबल होते हैं। हालांकि, प्रकृति में बहुत सारे अद्भुत उदाहरण हैं, जब रंग सूक्ष्म संरचनाओं के कारण ठीक से बनता है, जैसे कि तितलियों में या ओपल क्रिस्टल में।

यदि प्रकृति ने विभिन्न प्रकार के रंगों को बनाने में लाखों वर्षों का विकास किया, तो पिछले कुछ दशकों में भौतिक वैज्ञानिकों और भौतिकविदों ने प्रयोगशाला में रंगों का शाब्दिक "संश्लेषण" करना सीख लिया है। मेटा-मैटेरियल्स और रंग के क्षेत्र में विज्ञान की उपलब्धियों के लिए, लेकिन बेरंग माइक्रोस्ट्रक्चर, बिल्ली का स्वागत है!

इसके बजाय अग्रदूत

मेटा मटेरियल क्या है? मेटामेट्री एक ऐसी सामग्री है जिसके गुण उसके घटक घटकों के गुणों से बहुत अधिक निर्धारित नहीं होते हैं, लेकिन मुख्य रूप से ये घटक अंतरिक्ष में एक दूसरे के सापेक्ष स्थित होते हैं, दूसरे शब्दों में, कृत्रिम रूप से आवधिक रूप से निर्मित।

नीचे तीन दिलचस्प का अवलोकन है, मेरी राय में, हाल ही में प्रथम श्रेणी के वैज्ञानिक पत्रिकाओं में प्रकाशित काम करता है। ये सभी शास्त्रीय और विदेशी दोनों तरह की सामग्रियों से मेटामेट्रिक्स के निर्माण के लिए समर्पित हैं।

शैली के क्लासिक्स: धातु नैनोकणों और प्लास्मोन प्रतिध्वनि

नैनोडिस्फ़र्ड अवस्था में कई धातुएँ (पढ़ें, नैनोपार्टिकल्स) में तथाकथित प्लास्मोन प्रतिध्वनि होती है। सीधे शब्दों में कहें, तो प्रकाश (या किसी अन्य विद्युत चुम्बकीय तरंग) के प्रभाव में धातु परमाणुओं के "भारी" कंकाल के पास एक "प्रकाश" इलेक्ट्रॉन बादल का सामूहिक कंपन। मैंने यहाँ इसके बारे में और लिखा है ।

यह संपत्ति व्यापक रूप से ज्ञात है, उदाहरण के लिए, सोना, तांबा, एल्यूमीनियम और चांदी के लिए, और यह प्रकाश के गुंजयमान अवशोषण के शिखर के रूप में खुद को प्रकट करता है। जब इनमें से दो या अधिक कण पास होते हैं, तो पारस्परिक प्रभाव का एक प्रभाव उत्पन्न होता है, जो चोटियों की शिफ्ट और नए लोगों की उपस्थिति में व्यक्त किया जाता है। इस प्रकार, अवशोषित विकिरण की तरंग दैर्ध्य को "समायोजित" करना संभव है, और तदनुसार, ऐसे नैनोकणों से मिलकर संरचना के रंग को बदल दें।

स्विट्जरलैंड के अपने सहयोगियों के साथ चीनी वैज्ञानिकों के एक समूह ने मेटा-मटेरियल बनाने के लिए स्ट्रक्चरल ब्लॉक के रूप में एक ढांकता हुआ - एल्यूमीनियम ऑक्साइड द्वारा अलग किए गए चांदी डिस्क का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा।


(ए) एक सब्सट्रेट की सतह पर चांदी नैनोडिस्क का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व और उनके बीच एक विद्युत चुम्बकीय तरंग का प्रसार। (बी) इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी द्वारा प्राप्त एक वास्तविक नमूने की छवि। (c) एक व्यक्तिगत नैनोडिस्क के तथाकथित प्लास्मोन मोड

अपने आप से, प्लास्मोन कणों में "शुद्ध" रंगों का उत्पादन करने के लिए एक स्पेक्ट्रम का व्यापक रूप से उपयोग किया जाना है। हालांकि, लेखक एक निश्चित चाल पर चले गए, ढांकता हुआ डिस्क को ढांकता हुआ, एल्यूमीनियम ऑक्साइड की एक परत के साथ अलग कर दिया। इस विचार का मुख्य सिद्धांत हाइब्रिड मोड्स का उपयोग करना है, जिसमें परावर्तन मोड में अधिक संकीर्ण शिखर और त्रिज्या और अवधि के उपयुक्त विकल्प के साथ ट्रांसमिशन मोड में अधिक पूर्ण अवशोषण होता है। इस प्रकार, छवि के "पिक्सेल" के अंदर समग्र डिस्क के आकार और स्थानिक व्यवस्था (उदाहरण के लिए, पैकिंग कदम) को समायोजित करके, आप एक पूर्ण रंग सरगम ​​बना सकते हैं: लाल से नीले-बैंगनी तक।


प्रतिबिंबित (बाएं) और प्रेषित (दाएं) प्रकाश में प्राप्त नमूने: पहली पंक्ति नमूनों की ऑप्टिकल तस्वीरें है, दूसरी पंक्ति सिमुलेशन डेटा है और तीसरी पंक्ति प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त परिणाम है

दुर्भाग्य से, ऐसी संरचनाएं बनाने की प्रक्रिया बल्कि श्रमसाध्य है और इसमें कई उच्च-तकनीकी चरण शामिल हैं, जैसे परत-दर-परत बयान, इलेक्ट्रॉन बीम पैटर्न और यहां तक ​​कि आयन नक़्क़ाशी भी। फिर भी, वैज्ञानिकों को भरोसा है कि यह काम "संरचनात्मक" रंगों का उपयोग करके मुद्रण के लिए एक मंच बनाने की दिशा में एक और कदम होगा, साथ ही साथ उच्च-परिशुद्धता रंग प्रजनन के लिए मानक भी होंगे।


इस तकनीक के अनुप्रयोग का एक उदाहरण: परियोजना में शामिल दो विश्वविद्यालयों के संक्षिप्त विवरण, प्लास्मोनिक स्याही के साथ "मुद्रित"

मूल लेख, " फुल कलर जनरेशन यूज़िंग सिल्वर टेंडेम नैनोडिस्क " , ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ) में प्रकाशित हुआ है।

धातु के कण और सतह नहीं

संरचनात्मक रंग बनाने का एक और उदाहरण हार्बिन प्रौद्योगिकी संस्थान और शांक्सी विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों द्वारा प्रदर्शित किया गया था। धातु नैनोकणों के बजाय, उन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड (टीआईओ ₂ ) के उपयोग का प्रस्ताव दिया। इस सामग्री की विशेषताओं में से एक अन्य सामग्रियों की तुलना में इसका अपेक्षाकृत उच्च अपवर्तक सूचकांक (> 2) है। उदाहरण के लिए, TiO ₂ की यह संपत्ति फोटोनिक क्रिस्टल ( एक और दो ) के निर्माण में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।

मुख्य विचार घटना के हस्तक्षेप का उपयोग करना है और स्पेक्ट्रम से वांछित तरंग दैर्ध्य को अलग करने के लिए परिलक्षित किरण है, जो संरचना को रंग देता है। मॉडलिंग के बाद और स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग के लिए संरचना मापदंडों और इसी अनुनाद मोड को समायोजित करने के बाद, शोधकर्ताओं ने संरचना तत्वों के आकार को बदलकर रंग को नियंत्रित करने में सक्षम थे।

ऐसी मेटा-सामग्री के लिए प्रस्तावित निर्माण प्रक्रिया में कम तकनीकी रूप से जटिल प्रक्रियाएँ शामिल हैं: इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी एक पैटर्न बनाने के लिए और गैस चरण से टाइटेनियम डाइऑक्साइड की एक परत को छिड़कना, इसके बाद विघटनकारी और फोटोरेसिस्ट को हटा दिया जाता है। इस प्रकार, ऊपर बताए गए सिल्वर नैनोडिस्क की तुलना में उत्पादन प्रक्रिया सरल है, जिसके लिए इन चरणों को कई बार दोहराया जाता है।


TiO ₂ पर आधारित मेटा-मटीरियल की उत्पादन प्रक्रिया। (ए) प्रक्रिया आरेख। (बीसी) परिणामस्वरूप संरचनाओं के माइक्रोग्राफ (कम और उच्च आवर्धन, पैमाने पर 100 माइक्रोन और 500 एनएम, क्रमशः)। (डीएफ) प्राप्त पैटर्न और उनके अनुरूप रंग (स्केल मार्क - 1 माइक्रोन)

नतीजतन, नमूने प्राप्त किए गए थे जो रंगों के सरगम ​​के एक महत्वपूर्ण हिस्से को कवर करते हैं: नीले, लाल और हरे रंग के शेड होते हैं। यदि हम प्लासोन कणों के साथ तुलना जारी रखते हैं, तो TiO2- आधारित मेटा-सामग्रियों ने एक व्यापक रंग सरगम ​​कवरेज दिखाया।


प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा और इसी संरचनात्मक रंग। (ए) मेटा संरचनाओं में से एक का अनुकरण और प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा। (b) CIE 1931 मानक रंगों के अनुसार परिकलित (काला) और समायोजित (लाल)। (सीडी) प्राप्त संरचना की अवधि पर रंग की निर्भरता और आसन्न पिरामिड के बीच की दूरी

लेकिन काम के लेखक वहाँ नहीं रुके। जटिल बहु-रंगीन छवियों को बनाने के लिए प्रौद्योगिकी की प्रयोज्यता दिखाने के लिए, उन्होंने हार्बिन विश्वविद्यालय के हथियारों का कोट "आकर्षित" किया। इस मामले में, विभिन्न रंगों और रंगों का उपयोग किया गया था।


तियो ₂ मेटा-संरचनाओं से एक छवि बनाने का एक उदाहरण। (ए) इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप द्वारा प्राप्त माइक्रोग्राफ। प्रतिबिम्बित (b) और संचारित (c) प्रकाश में चित्र। (d) ध्रुवीकृत प्रकाश में छवि। स्केल लेबल - 159 माइक्रोन

मूल लेख, TiO ₂ Metasurfaces के साथ ऑल-डाइलेक्ट्रिक फुल-कलर प्रिंटिंग ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ) में प्रकाशित हुआ है।

साधारण कांच के बारे में क्या?

आज के लिए नवीनतम उदाहरण साधारण ग्लास का उपयोग है और मेटा-सामग्री और संरचनात्मक रंगों को बनाने के लिए बिल्कुल सामान्य भौतिकी नहीं है। इस काम का मुख्य विचार यह है कि आप ग्लास सहित लगभग किसी भी पारदर्शी सतह पर "मास्टर" स्टैम्प का उपयोग करके प्रिंट कर सकते हैं। किसी दिए गए पैटर्न के साथ इस तरह की मोहर के तहत, एक विशेष जेल डाला जाता है, जो पराबैंगनी विकिरण के प्रभाव में कठोर हो जाता है और गुणों में कांच के समान सामग्री में बदल जाता है। इस विधि को नैनोइमप्रिंट लिथोग्राफी कहा जाता है।


मेटा-मटेरियल की निर्माण प्रक्रिया। (ए) इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी का उपयोग करके "स्टैंप" तैयार करना। (bd) नैनोप्रीनिंग लिथोग्राफी की प्रक्रिया के विभिन्न चरण, जिसके परिणामस्वरूप एक विशेष जेल के पोलीमराइजेशन के दौरान चिकनी कांच पर स्टाम्प पैटर्न "मुद्रित" होता है। (ई) परिणामस्वरूप पैटर्न का एक ऑप्टिकल माइक्रोग्राफ। (एफ) "मुद्रित" पैटर्न की रूपरेखा (जिसके परिणामस्वरूप संरचनाओं में लगभग 200 माइक्रोन की चौड़ाई और केवल 50 मीटर नैनोमीटर की ऊंचाई है)

परिणामस्वरूप संरचनाएं सबसे विविध रूप में हो सकती हैं: सीधी या घुमावदार रेखाएं, voids, या इसके विपरीत बड़े पैमाने पर उभार। यदि सीधी रेखाओं को एक पैटर्न के रूप में चुना जाता है, तो हमें सामान्य विवर्तन झंझरी मिलती है, जिसे केडीपीवी पर दर्शाया गया है।

हालांकि, यदि आप कई समान संरचनाओं को एक में जोड़ते हैं (उदाहरण के लिए, एक अलग अवधि के साथ, अलग-अलग स्ट्रिप मोटाई, और इसी तरह) और यहां तक ​​कि इसे मोड़ भी देते हैं, तो भौतिकी का अचूक जादू काम करना शुरू कर देता है। प्रकाश की घटना और संरचना के कुछ हिस्सों में अवशोषित एक ऑप्टिकल फाइबर के अंदर, और अन्य क्षेत्रों में सतह के लिए "बाहर आता है" के रूप में, इसके अंदर स्थानांतरित किया जाता है।


दो ग्लास नमूनों की तस्वीरें जिनके पैटर्न अलग-अलग रंगों (ए) या पूर्ण-चित्रों (बी) को दिखाने के लिए "ट्यून्ड" हैं। महत्वपूर्ण! अन्य शर्तों के तहत, जैसे कि प्रकाश व्यवस्था, देखने के कोण, और इसी तरह, छवि दिखाई नहीं दे रही है, वीडियो देखें

इस प्रकार, रंग केवल निर्दिष्ट क्षेत्रों में और दिए गए कोण को देखते हुए "दिखाई देते हैं"। प्रभाव प्रदर्शित करने के लिए, काम के लेखकों ने संबंधित वीडियो पोस्ट किया:

• तीन रंगीन पिक्सेल केवल एक निश्चित कोण ( प्रकाशक की वेबसाइट पर वीडियो 5 और Y.disk पर दर्पण ) में एक साथ दिखाई देते हैं
• देखने के कोण के आधार पर दो पूरी तरह से अलग-अलग वस्तुएं एक ही स्थान पर स्थित हो सकती हैं ( प्रकाशक की वेबसाइट पर वीडियो 6 और COD पर एक दर्पण )

यह तकनीक, काम के लेखकों के अनुसार, सुरक्षा के क्षेत्र में अपने आवेदन को खोजने में सक्षम होगी (उदाहरण के लिए, दस्तावेजों और डेटा की सुरक्षा), साथ ही स्मार्ट ग्लास के लिए डिस्प्ले बनाते समय।

मूल लेख, रंग-चयनात्मक और वर्सटाइल लाइट स्टीयरिंग अप-स्केलेबल सबवेलवेन्चर प्लानर ऑप्टिक्स के साथ , ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ) में प्रकाशित होता है।

एक निष्कर्ष के बजाय

पिछले 10-15 वर्षों में मेटा-मैटेरियल्स के क्षेत्र में उल्लेखनीय प्रगति हुई है। वैज्ञानिक हर साल एक बार उद्योग के विकास के लिए भौतिक अमूर्तता लाने की कोशिश करते हैं, मेटा-मटेरियल को बड़े पैमाने पर बनाते हैं और उनके लिए अपने स्वयं के आला की तलाश करते हैं।

पुनश्च: सदस्यता के लिए मत भूलना, और लैन में पाठ में उल्लिखित कमियों के बारे में लिखें।