Meta-bahan: ilusi optik warna struktural

Mereka mengatakan bahwa nano dan mikrokosmos tidak memiliki warna, karena ukuran partikel kurang dari panjang gelombang. Dengan demikian, sifat gelombang cahaya, seperti difraksi dan interferensi, menang atas penyerapan biasa, pantulan. Namun, ada banyak contoh menakjubkan di alam, ketika warna terbentuk justru karena struktur mikro, seperti pada kupu-kupu atau kristal opal.

Jika Alam membutuhkan jutaan tahun evolusi untuk menciptakan seluruh variasi warna, maka ilmuwan material dan fisikawan selama beberapa dekade terakhir telah belajar untuk benar-benar "mensintesis" warna di laboratorium. Untuk pencapaian ilmu pengetahuan di bidang meta-material dan warna, tetapi mikro tidak berwarna, selamat datang di kucing!

Alih-alih kata pengantar

Apa itu materi meta? Metamaterial adalah material yang sifat-sifatnya ditentukan tidak begitu banyak oleh sifat-sifat komponen penyusunnya, tetapi terutama dengan cara komponen-komponen ini ditempatkan relatif satu sama lain dalam ruang, dengan kata lain, periodisitas yang diciptakan secara artifisial.

Di bawah ini adalah ikhtisar dari tiga yang menarik, menurut pendapat saya, karya-karya yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal ilmiah kelas satu. Semuanya dikhususkan untuk penciptaan metamaterial dari berbagai bahan, baik klasik maupun eksotis.

Klasik genre: nanopartikel logam dan resonansi plasmon

Banyak logam dalam keadaan nanodispersi (baca, partikel nano) memiliki resonansi plasmon. Sederhananya, getaran kolektif awan elektron "ringan" dekat kerangka "logam berat" atom di bawah pengaruh cahaya (atau gelombang elektromagnetik lainnya). Saya menulis lebih banyak tentang ini di sini .

Sifat ini dikenal luas, misalnya, untuk emas, tembaga, aluminium, dan perak, dan ia memanifestasikan dirinya dalam bentuk puncak penyerapan cahaya resonansi. Ketika dua atau lebih dari partikel-partikel ini berada di dekatnya, efek saling mempengaruhi muncul, yang diekspresikan dalam pergeseran puncak dan penampilan yang baru. Dengan demikian, dimungkinkan untuk "menyesuaikan" panjang gelombang radiasi yang diserap, dan karenanya, mengubah warna struktur yang terdiri dari partikel nano tersebut.

Sekelompok ilmuwan Cina, bersama dengan rekan-rekan mereka dari Swiss, mengusulkan menggunakan piringan perak yang dipisahkan oleh dielektrik - aluminium oksida sebagai blok struktural untuk membuat meta-material.


(a) Representasi skematik nanodis perak pada permukaan substrat dan perambatan gelombang elektromagnetik di antara mereka. (B) Gambar sampel nyata yang diperoleh dengan mikroskop elektron. (C) Yang disebut mode plasmon dari nanodisk individu

Sendiri, partikel plasmon memiliki spektrum yang terlalu luas untuk digunakan secara langsung untuk menghasilkan warna "murni". Namun, penulis pergi ke trik tertentu, memisahkan cakram plasmon dengan lapisan dielektrik, aluminium oksida. Prinsip utama yang melandasi ide ini adalah menggunakan mode hybrid, yang memiliki puncak yang jauh lebih sempit dalam mode refleksi dan penyerapan yang lebih lengkap dalam mode transmisi dengan pilihan radius dan periode yang tepat. Dengan demikian, dengan menyesuaikan ukuran dan pengaturan spasial disk komposit (misalnya, langkah pengepakan) di dalam "piksel" gambar, Anda dapat membuat gamut warna penuh: dari merah ke biru-ungu.


Sampel yang diperoleh dalam cahaya yang dipantulkan (kiri) dan ditransmisikan (kanan): baris pertama adalah foto optik sampel, baris kedua adalah data simulasi dan baris ketiga adalah hasil yang diperoleh secara eksperimen

Sayangnya, proses pembuatan struktur semacam itu agak melelahkan dan mencakup banyak tahapan teknologi tinggi, seperti deposisi lapis demi lapis, pola berkas elektron, dan bahkan etsa ion. Namun demikian, para ilmuwan yakin bahwa pekerjaan ini akan menjadi langkah lain menuju menciptakan platform untuk pencetakan menggunakan warna "struktural", serta standar untuk reproduksi warna presisi tinggi.


Contoh penerapan teknologi ini: singkatan dari dua universitas yang terlibat dalam proyek, "dicetak" dengan tinta plasmonic

Artikel asli, " Generasi Full Color Menggunakan Silver Tandem Nanodisks, " diterbitkan di ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ).

Bukan partikel dan permukaan logam

Contoh lain untuk menciptakan warna struktural ditunjukkan oleh para ilmuwan dari Institut Teknologi Harbin dan Universitas Shanxi. Alih-alih partikel nano logam, mereka mengusulkan penggunaan titanium dioksida (TiO ₂ ). Salah satu fitur dari bahan ini adalah indeks bias yang relatif tinggi (> 2) dibandingkan dengan bahan lainnya. Sifat TiO _{2 ini} , misalnya, banyak digunakan dalam pembuatan kristal fotonik ( satu dan dua ).

Gagasan utamanya adalah menggunakan gangguan insiden dan sinar pantulan untuk mengisolasi panjang gelombang yang diinginkan dari spektrum, yang memberi warna pada struktur. Setelah memodelkan dan menyesuaikan parameter struktur dan mode resonansi yang sesuai dengan bagian spektrum yang terlihat, para peneliti dapat mengontrol warna dengan mengubah ukuran elemen struktur.

Proses pembuatan yang diusulkan untuk bahan meta tersebut mencakup lebih sedikit proses yang kompleks secara teknologi: litografi berkas elektron untuk membuat pola dan menyemprotkan lapisan titanium dioksida dari fase gas, diikuti dengan pembubaran dan penghilangan photoresis. Dengan demikian, proses produksi lebih sederhana daripada nanodisk perak yang dijelaskan di atas, yang langkah-langkah ini diulang beberapa kali.


Proses produksi meta-material berbasis TiO ₂ . (a) Diagram proses. (bc) Mikrograf struktur yang dihasilkan (perbesaran rendah dan tinggi, masing-masing menandai 100 mikron dan 500 nm). (df) Pola yang diterima dan warnanya yang sesuai (tanda skala - 1 mikron)

Hasilnya, sampel diperoleh yang menutupi sebagian besar keseluruhan warna: ada nuansa biru, merah dan hijau. Jika kita melanjutkan perbandingan dengan partikel plasmon, maka bahan meta berbasis TiO2 menunjukkan cakupan gamut warna yang lebih luas.


Spektrum refleksi dan warna struktural yang sesuai. (a) Simulasi dan spektra refleksi diperoleh secara eksperimental dari salah satu struktur meta. (B) Dihitung (hitam) dan disesuaikan (merah) sesuai dengan warna standar CIE 1931. (Cd) Ketergantungan warna pada periode struktur yang diperoleh dan jarak antara piramida yang berdekatan

Tetapi penulis karya tidak berhenti di situ. Untuk menunjukkan penerapan teknologi untuk membuat gambar multi-warna yang kompleks, mereka “menggambar” lambang Universitas Harbin. Dalam hal ini, berbagai warna dan warna digunakan.


Contoh membuat gambar dari struktur meta TiO ₂ . (a) Mikrograf diperoleh dengan mikroskop elektron. Gambar dalam cahaya yang dipantulkan (b) dan ditransmisikan (c). (D) Gambar dalam cahaya terpolarisasi. Label skala - 159 mikron

Artikel asli, All-Dielectric Full-Color Printing dengan TiO ₂ Metasurfaces , diterbitkan di ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ).

Bagaimana dengan gelas biasa?

Contoh terbaru untuk hari ini adalah penggunaan kaca biasa dan fisika yang tidak biasa untuk membuat meta-material dan warna struktural. Gagasan utama dari pekerjaan ini adalah Anda dapat mencetak menggunakan cap "master" pada hampir semua permukaan transparan, termasuk kaca. Di bawah stempel dengan pola tertentu, gel khusus dituangkan, yang mengeras di bawah pengaruh radiasi ultraviolet dan berubah menjadi bahan yang mirip dengan kaca dalam sifat. Metode ini disebut litografi nanoimprint.


Proses pembuatan meta-material. (a) Persiapan "cap" menggunakan litografi berkas elektron. (bd) Berbagai tahapan proses litografi nanoprinting, sebagai akibatnya pola cap “dicetak” pada kaca halus selama polimerisasi gel khusus. (e) Mikrograf optik dari pola yang dihasilkan. (f) Profil pola "dicetak" (struktur yang dihasilkan memiliki lebar sekitar 200 mikron dan ketinggian hanya 50-60 nanometer)

Struktur yang dihasilkan dapat berupa bentuk yang paling beragam: garis lurus atau melengkung, rongga, atau sebaliknya tonjolan masif. Jika garis lurus dipilih sebagai pola, maka kita mendapatkan kisi difraksi biasa, yang digambarkan pada KDPV.

Namun, jika Anda menggabungkan beberapa struktur serupa menjadi satu (misalnya, dengan periode berbeda, ketebalan strip berbeda, dan sebagainya) dan bahkan menekuknya, maka keajaiban fisika yang tidak dapat dipahami mulai bekerja. Insiden cahaya dan diserap di beberapa bagian struktur dipindahkan di dalamnya, seperti di dalam serat optik, dan "keluar" ke permukaan di area lain.


Foto dua sampel kaca yang polanya "disetel" untuk menunjukkan warna berbeda (a) atau gambar penuh (b). Penting! dalam kondisi lain, seperti pencahayaan, sudut pandang, dan sebagainya, gambar tidak terlihat, lihat video

Dengan demikian, warna secara harfiah "muncul" hanya di area tertentu dan pada sudut pandang tertentu. Untuk menunjukkan efeknya, penulis karya memposting video yang sesuai:

• Tiga piksel warna muncul bersamaan hanya pada sudut tertentu (video 5 di situs web penerbit dan mirror on Y.disk )
• Dua objek yang sama sekali berbeda dapat ditempatkan di tempat yang sama tergantung pada sudut pandang (video 6 di situs web penerbit dan cermin di Y.disk )

Teknologi ini, menurut penulis karya tersebut, akan dapat menemukan aplikasinya di bidang keamanan (misalnya, perlindungan dokumen dan data), serta dalam pembuatan tampilan untuk kacamata pintar.

Artikel asli, Warna-Selektif dan Serbaguna Cahaya Kemudi dengan Optik Planar Subwavelength up-Scalable , diterbitkan dalam ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ).

Alih-alih sebuah kesimpulan

Selama 10-15 tahun terakhir, kemajuan signifikan telah dibuat di bidang meta-material. Para ilmuwan setiap tahun mencoba untuk memberikan abstraksi fisik sekali untuk pengembangan industri, membuat meta-bahan besar dan menemukan ceruk mereka sendiri untuk mereka.

PS: Jangan lupa berlangganan , dan menulis tentang kekurangan yang tertulis di teks dalam LAN.