Eles dizem que o nano e o microcosmo não têm cor, porque o tamanho das partículas é menor que o comprimento de onda. Consequentemente, as propriedades das ondas da luz, como difração e interferência, prevalecem sobre a absorção comum, a reflexão. No entanto, existem muitos exemplos surpreendentes na natureza, quando a cor é formada precisamente devido a microestruturas, como borboletas ou cristais de opala.
Se a Natureza levou muitos milhões de anos de evolução para criar toda a variedade de cores, cientistas e físicos de materiais nas últimas décadas aprenderam a literalmente "sintetizar" cores em laboratório. Pelas conquistas da ciência no campo de meta-materiais e cores, mas microestruturas incolores, bem-vindo ao gato!
Em vez do prefácio
O que é meta material? Um metamaterial é um material cujas propriedades são determinadas não tanto pelas propriedades de seus componentes constituintes, mas principalmente pela maneira como esses componentes são localizados um no outro no espaço, ou seja, periodicidade artificialmente criada.
Abaixo está uma visão geral de três trabalhos interessantes, na minha opinião, publicados recentemente em revistas científicas de primeira classe. Todos eles são dedicados à criação de metamateriais a partir de vários materiais, clássicos e exóticos.
Clássicos do gênero: nanopartículas metálicas e ressonância plasmônica
Muitos metais no estado nanodisperso (leitura, nanopartículas) têm a chamada ressonância plasmônica. Simplificando, as vibrações coletivas de uma nuvem de elétrons "leves" perto de um esqueleto "pesado" de átomos de metal sob a influência da luz (ou qualquer outra onda eletromagnética). Eu escrevi mais sobre isso
aqui .
Essa propriedade é amplamente conhecida, por exemplo, por ouro, cobre, alumínio e prata, e se manifesta na forma de um pico de absorção ressonante da luz. Quando duas ou mais dessas partículas estão próximas, surge um efeito de influência mútua, expresso na mudança dos picos e no aparecimento de novos. Assim, é possível "ajustar" o comprimento de onda da radiação absorvida e, consequentemente, alterar a cor da estrutura que consiste em tais nanopartículas.
Um grupo de cientistas chineses, juntamente com seus colegas da Suíça, propôs o uso de discos de prata separados por um dielétrico - óxido de alumínio como blocos estruturais para a criação de meta-materiais.
(a) Representação esquemática dos nanodiscos de prata na superfície de um substrato e a propagação de uma onda eletromagnética entre eles. (b) Imagem de uma amostra real obtida por microscopia eletrônica. c) Os chamados modos plasmon de um nanodisco individualPor si só, as partículas de plasmon têm um espectro muito amplo para serem usadas diretamente para produzir cores "puras". No entanto, os autores fizeram um certo truque, separando os discos de plasmon com uma camada de óxido de alumínio dielétrico. O principal princípio subjacente a essa idéia é usar modos híbridos, que têm um pico muito mais estreito no modo de reflexão e absorção mais completa no modo de transmissão, com uma escolha apropriada de raio e período. Assim, ajustando o tamanho e a organização espacial dos discos compostos (por exemplo, a etapa de empacotamento) dentro do "pixel" da imagem, você pode criar uma gama de cores: de vermelho a azul-violeta.
As amostras obtidas na luz refletida (esquerda) e transmitida (direita): a primeira linha são as fotografias ópticas das amostras, a segunda linha são os dados de simulação e a terceira linha são os resultados obtidos experimentalmenteInfelizmente, o processo de criação dessas estruturas é bastante trabalhoso e inclui muitos estágios de alta tecnologia, como deposição camada por camada, padronização de feixes de elétrons e até gravação de íons. No entanto, os cientistas estão confiantes de que este trabalho será outro passo para a criação de uma plataforma para impressão usando cores "estruturais", bem como padrões para reprodução de cores de alta precisão.
Um exemplo da aplicação dessa tecnologia: as abreviações das duas universidades envolvidas no projeto, “impressas” com tintas plasmônicasO artigo original, “ Geração de cores completas usando nanodiscos de prata em tandem ” , foi publicado no ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.6b08465 ).Não partículas e superfícies metálicas
Outro exemplo de criação de cores estruturais foi demonstrado por cientistas do Instituto de Tecnologia Harbin e da Universidade Shanxi. Em vez de nanopartículas de metal, eles propuseram o uso de dióxido de titânio (TiO
2 ). Uma das características deste material é o seu índice de refração relativamente alto (> 2) em comparação com outros materiais. Essa propriedade do TiO
2 , por exemplo, é amplamente utilizada na criação de cristais fotônicos (
um e
dois ).
A idéia principal é usar a interferência do incidente e o feixe refletido para isolar o comprimento de onda desejado do espectro, o que dá cor à estrutura. Após modelar e ajustar os parâmetros da estrutura e os modos de ressonância correspondentes à parte visível do espectro, os pesquisadores conseguiram controlar a cor alterando o tamanho dos elementos da estrutura.
O processo de fabricação proposto para esse meta-material inclui menos processos tecnologicamente complexos: litografia por feixe de elétrons para criar um padrão e pulverizar uma camada de dióxido de titânio da fase gasosa, seguida pela dissolução e remoção do fotorresiste. Assim, o processo de produção é mais simples do que para os nanodiscos de prata descritos acima, para os quais essas etapas são repetidas várias vezes.
O processo de produção de meta-material baseado em TiO 2 . (a) Diagrama do processo. bc) Micrografias das estruturas resultantes (ampliação baixa e alta, marcas de escala de 100 mícrones e 500 nm, respectivamente). df) Padrões recebidos e suas cores correspondentes (marca de escala - 1 mícron)Como resultado, foram obtidas amostras que cobrem uma parte significativa da gama de cores: existem tons de azul, vermelho e verde. Se continuarmos a comparação com partículas de plasmon, os meta-materiais baseados em TiO2 mostraram uma cobertura mais ampla da gama de cores.
Espectros de reflexão e cores estruturais correspondentes. (a) Espectros de reflexão simulados e obtidos experimentalmente de uma das meta-estruturas. (b) Calculado (preto) e ajustado (vermelho) de acordo com as cores padrão da CIE 1931. (cd) A dependência da cor no período da estrutura obtida e a distância entre as pirâmides adjacentesMas os autores do trabalho não param por aí. Para mostrar a aplicabilidade da tecnologia para a criação de imagens multicoloridas complexas, eles "desenharam" o brasão de armas da Universidade de Harbin. Nesse caso, cores e tons diferentes foram usados.
Um exemplo de criação de uma imagem a partir de meta-estruturas de TiO 2 . (a) Micrografia obtida por microscópio eletrônico. Imagens na luz refletida (b) e transmitida (c). (d) Imagem sob luz polarizada. Etiqueta de escala - 159 mícronsO artigo original, Impressão em cores totalmente dielétricas com metassuperfícies de TiO 2 , é publicado na ACSNano ( DOI: 10.1021 / acsnano.7b00415 ).E o vidro comum?
O exemplo mais recente de hoje é o uso de vidro comum e não a física comum para criar meta-materiais e cores estruturais. A idéia principal deste trabalho é que você pode imprimir usando o carimbo "mestre" em praticamente qualquer superfície transparente, incluindo vidro. Sob esse carimbo com um determinado padrão, é derramado um gel especial, que endurece sob a influência da radiação ultravioleta e se transforma em um material semelhante ao vidro nas propriedades. Esse método é chamado litografia nanoimprint.
O processo de fabricação de meta-material. (a) Preparação de um “carimbo” usando litografia por feixe de elétrons. (bd) Várias etapas do processo de litografia nanoprinting, como resultado do qual o padrão de carimbo é "impresso" em vidro liso durante a polimerização de um gel especial. (e) Uma micrografia óptica do padrão resultante. (f) Perfil do padrão "impresso" (as estruturas resultantes têm uma largura de cerca de 200 mícrons e uma altura de apenas 50-60 nanômetros)As estruturas resultantes podem ter a forma mais diversa: linhas retas ou curvas, vazios ou protuberâncias massivas vice-versa. Se as linhas retas são escolhidas como padrão, obtemos a grade de difração usual, descrita no KDPV.
No entanto, se você combinar várias estruturas semelhantes em uma (por exemplo, com um período diferente, diferentes espessuras de tira, etc.) e até dobrá-la, a mágica incompreensível da física começará a funcionar. O incidente leve e absorvido em algumas partes da estrutura é transferido para dentro dela, como dentro de uma fibra óptica, e "sai" para a superfície em outras áreas.
Fotografias de duas amostras de vidro cujos padrões são "ajustados" para mostrar cores diferentes (a) ou imagens completas (b). Importante! sob outras condições, como iluminação, ângulo de visão, etc., a imagem não é visível, veja o vídeoAssim, as cores literalmente “aparecem” apenas em áreas especificadas e em determinados ângulos de visão. Para demonstrar o efeito, os autores do trabalho publicaram o vídeo correspondente:
Essa tecnologia, de acordo com os autores do trabalho, poderá encontrar sua aplicação no campo da segurança (por exemplo, proteção de documentos e dados), bem como na criação de displays para óculos inteligentes.
O artigo original, Direção de luz versátil e seletiva de cores com óptica planar de sub-comprimento de onda escalável , é publicado na ACSPhotonics ( DOI: 10.1021 / acsphotonics.7b00232 ).Em vez de uma conclusão
Nos últimos 10 a 15 anos, houve um progresso significativo no campo de meta-materiais. Os cientistas todos os anos tentam trazer uma vez a abstração física para o desenvolvimento da indústria, tornar os metmateriais enormes e encontrar seu próprio nicho para eles.
PS: Não se esqueça de se
inscrever e escreva sobre as deficiências observadas no texto na LAN.