Nigdy nie widzisz wyblakłego pawia. Jasne, opalizujące, zielone i niebieskie pióra nie wybielają się na słońcu ani nie odbarwiają się z czasem. To dlatego, że cały kolor pochodzi ze struktury, a nie z pigmentu; same pióra są brązowe, a ich małe kształty powodują, że długości fal światła zakłócają się, tworząc kolory, które widzisz.
Zjawisko to było badane przez setki lat, ale w ciągu ostatniej dekady naukowcy zaczęli budować tego rodzaju zabarwienie w konstrukcjach wykonanych przez człowieka, czego przykładem jest artykuł opublikowany dzisiaj w Science Advances . Xiaolong Zhu i zespół z Duńskiego Uniwersytetu Technologicznego opracowali metodę wykorzystującą lasery do konstruowania nanostruktur z germanu, które odzwierciedlają długości fali poszczególnych kolorów i mogą być używane do tworzenia trwałych kolorowych obrazów.
„Najważniejsze jest to, że wykonujemy laserowe drukowanie w wysokiej rozdzielczości wielu kolorów za pomocą bardzo cienkiej folii z germanu”, mówi Zhu.
Nazywa to drukiem laserowym, chociaż podstawy koloru strukturalnego zawierają szereg mikroskopijnych kolumn na powierzchni, a nie to, co uważamy za zwykłą drukarkę laserową. Rozmiar i kształt tych kolumn odpowiada długości fali światła widzialnego w taki sposób, że tylko niektóre długości fali mogą wydostać się z koryt. Wśród materiałów sztucznych tym podłożem jest metal lub półprzewodnik. W tym przypadku Zhu i jego zespół położyli german na plastikowych filarach, stając się pierwszymi, którzy zbudowali takie struktury półprzewodnika bez domieszki metalu.
Dało to szczególną zaletę: laser o dużej mocy, dostrojony do właściwej częstotliwości, może selektywnie topić german. Punktem wyjścia jest cienka warstwa germanu, rozciągnięta na cienkiej, elastycznej, plastikowej powierzchni, z mikroskopijnymi okrągłymi kolumnami rozciągającymi się w górę. Kiedy badacze uderzają w kolumny za pomocą lasera, topnieją one z koła w kulę, która zmienia kolor, w którym materiał pojawia się z czerwonego na niebieski. Ponieważ filary mają szerokość zaledwie 100 nanometrów, proces może zapewnić rozdzielczość do 100 000 dpi lub więcej, czyli około maksymalnej teoretycznie możliwej rozdzielczości dla tradycyjnych drukarek laserowych.
Co więcej, stopień topnienia jest również kontrolowany, co oznacza, że półkula lub kula częściowa może pokazywać kolor w dowolnym miejscu widma wizualnego między dwiema skrajnościami.
„To, co tutaj naprawdę rozwiązują, to kluczowy problem inżynieryjny, który należy rozwiązać dla niektórych zastosowań w kolorze strukturalnym, i w ten sposób można stworzyć system, w którym można zapisać wzór jako różne kolory strukturalne w różnych punktach w wzór ”- mówi Vinothan Manoharan, profesor fizyki z Harvardu, którego laboratorium bada różne sposoby tworzenia koloru strukturalnego w oparciu o samoorganizację nanocząstek.
Takie strukturalne zabarwienie do drukowania jest pożądane ze względu na ich trwałość. Podobnie jak paw, nie znikną ani nie wybielą się.
„Nie zniknie na długo”, mówi Zhu. „To zaleta tego rodzaju technologii. Atrament pigmentów z czasem zaniknie, szczególnie w zastosowaniach zewnętrznych. ”
Na tym zdjęciu Mona Lisa wydrukowano laserowo 127 000 kropek na cal. (Technical University of Denmark) Podczas gdy ta metoda wymaga materiału zwieńczonego półprzewodnikiem (i niezbyt taniego, chociaż zespół pracuje nad zastąpieniem germanu łatwiej dostępnym krzemem), Zhu twierdzi, że warstwa półprzewodnika jest tak cienka - 35 nanometrów - że drukuje się na niej staje się wykonalne dla wielu aplikacji. Najpierw wspomina o bezpieczeństwie i przechowywaniu informacji, ponieważ nadaje się do nich wysoka rozdzielczość i wysoka gęstość informacji możliwa dzięki kodowaniu w kolorze.
Mówi, że DVD może mieć wzór bezpieczeństwa. Lub, jeśli okrągłe kolumny zostaną zastąpione kwadratowymi ramkami, światło spolaryzuje się w określony sposób. Informacje mogą być przechowywane, ale można je odzyskać tylko przy odpowiednio spolaryzowanym świetle. Może to dostać się do znaków wodnych lub „atramentu” w celu ochrony przed fałszowaniem w walutach.
Wkrótce jednak nie szukaj niczego na półkach. Zhu i jego zespół wciąż próbują rozwiązać trudny, ale ważny problem: jak wytworzyć zielone światło. Zielony jest pośrodku spektrum, co oznacza, że będą musieli opracować struktury pochłaniające zarówno światło niebieskie, jak i czerwone. Obecnie opracowują w tym celu bardziej skomplikowane nanostruktury, mówi Zhu.
„Będą musieli rozwiązać niektóre inne problemy, aby osiągnąć aplikacje, które chcieli osiągnąć”, mówi Manoharan. „To jest teraz duże pole. W tej przestrzeni jest dużo pracy. Istnieje szeroka gama zastosowań kolorów strukturalnych i właśnie dlatego jest tak wiele różnych technik. W przypadku tej aplikacji osobiście uważam, że jest ona naprawdę dobra w przypadku farb zabezpieczających ”.
