Biolodzy i badacze nanotechnologii z Rice University od lat pracują nad projektem finansowanym przez marynarkę wojenną USA, aby stworzyć materiał, który może wizualnie dostosować się do otoczenia w czasie rzeczywistym. Celem jest umożliwienie, aby statki, pojazdy i żołnierze stali się niewidoczni - lub prawie niewidoczni - tak jak niektóre gatunki kałamarnic i innych głowonogów.
Mając model skóry kałamarnicy, naukowcy opracowali elastyczny wyświetlacz o niskiej rozdzielczości i niskiej mocy, który mógłby realistycznie naśladować otoczenie. Nowa technologia wyświetlania sprawia, że pojedyncze piksele (małe kolorowe kropki tworzące obraz na ekranie telewizora i smartfona) są niewidoczne dla ludzkiego oka. Używając aluminiowych nanorodków o precyzyjnych długościach i odstępach, naukowcy odkryli, że mogą tworzyć żywe kropki o różnych kolorach, które są 40 razy mniejsze niż piksele występujące we współczesnych telewizorach.
Jak to działa
W badaniu opublikowanym niedawno we wczesnym wydaniu Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), autorzy ilustrują, w jaki sposób wykorzystali technikę zwaną osadzaniem wiązki elektronów do tworzenia układów nanorodków i pikseli o mikronach kwadratowych - mniej więcej wielkość zarodnika rośliny lub pleśni - które wytwarzają jasne kolory bez użycia barwników, które z czasem mogą zanikać. Kolor każdego z tych małych pikseli można precyzyjnie dostroić, zmieniając albo odległości między prętami w szykach, albo długości poszczególnych prętów.
Naukowcy stworzyli szereg pikseli w nanoskali, które można precyzyjnie dostroić do różnych kolorów (A). Każdy piksel składa się z szeregu małych aluminiowych prętów (B), które w zależności od ich długości i rozmieszczenia wytwarzają różne kolory. (Postępowania z National Academy of Sciences of the United States of America) (Postępowania z National Academy of Sciences of the United States of America) Kolor piksela powstaje, gdy światło uderza w nanorodki i rozprasza się przy określonych długościach fal. Zmieniając rozmieszczenie i długość otaczających nanorodków, zespół jest w stanie precyzyjnie kontrolować, jak odbija się światło, zawężając spektrum światła i, w efekcie, dostosowując światło widzialne emitowane przez każdy piksel. Utworzone przez zespół piksele są również plazmoniczne, co oznacza, że stają się jaśniejsze i ciemniejsze w zależności od otaczającego światła, podobnie jak kolory w witrażu. Może to być przydatne do tworzenia wyświetlaczy o niższej mocy w urządzeniach konsumenckich, które również powinny być mniej stresujące dla oczu.
Ponieważ technologia ta opiera się głównie na aluminium, które jest niedrogie i łatwe w obsłudze, tego rodzaju wyświetlacze nie powinny być zbyt drogie ani wyjątkowo trudne w produkcji.
Miejsce na udoskonalenie
Stephan Link, profesor chemii na Uniwersytecie Rice i główny badacz w badaniu PNAS, twierdzi, że zespół nie postanowił rozwiązać podstawowych problemów związanych z istniejącą technologią wyświetlania, ale pracował nad mniejszymi pikselami do noszenia, materiał o małej mocy, który jest cienki i reaguje na światło otoczenia.
„Teraz, gdy mamy te ładne kolory”, mówi w e-mailu, „zastanawiamy się, w jaki sposób możemy je ulepszyć i jak możemy pracować nad skórą nano-kałamarnicy, która jest ostatecznym celem tej współpracy”.
Według Link jednym ze sposobów ulepszenia technologii byłoby partnerstwo z ekspertami z branży wyświetlaczy komercyjnych. Chociaż technologia tworzenia pikseli jest bardzo różna, zespół oczekuje, że wiele innych elementów wyświetlacza, takich jak ciekłe kryształy, które określają częstotliwość odświeżania wyświetlacza i czas reakcji na piksele, pozostaną takie same lub podobne do tych używanych obecnie.
Aby stworzyć elastyczny wyświetlacz, naukowcy mogą próbować zbudować piksele jak łuski, tak aby leżący pod nimi materiał mógł się zgiąć, ale ciekłe kryształy i aluminiowy nano-układ mogą pozostać płaskie. Aby jednak dojść do tego punktu, zespół może potrzebować pomocy.
„Mówienie tego wydaje się trochę zabawne, ale jedną z głównych przeszkód jest zmniejszenie wielkości części ciekłokrystalicznej naszych wyświetlaczy”, pisze Link. „Przez cały czas widzisz bardzo małe ekrany LCD w technologii, ale nie mamy fantazyjnych maszyn przemysłowych, które byłyby w stanie wykonać te z tak wysoką precyzją i odtwarzalnością, więc jest to główna przeszkoda z naszej strony”.
Inną potencjalną przeszkodą jest odtworzenie szerokiej gamy kolorów możliwych w dzisiejszych wyświetlaczach wysokiej klasy. Chociaż naukowcy jeszcze tam nie są, Link wydaje się pewny, że ich technologia jest wystarczająca.
„Wspaniałą rzeczą w kolorze jest to, że można to zrobić na dwa sposoby”, mówi Link. „Na przykład kolor żółty: długość fali światła, która wygląda na żółtą, wynosi 570 nanometrów, a my moglibyśmy stworzyć piksel, który ma ładny ostry pik przy 570 nm i dać w ten sposób żółty. Lub możemy zrobić żółty, umieszczając obok siebie czerwony i zielony piksel, podobnie jak w przypadku obecnych wyświetlaczy RGB. W przypadku aktywnego wyświetlania mieszanie RGB jest sposobem na to, aby zrobić to skutecznie, ale w przypadku wyświetlaczy stałych mamy obie opcje. ”
Mieszanie RGB ma widoczne wady w istniejących wyświetlaczach, ponieważ piksele są często widoczne gołym okiem. Ale dzięki tej technologii potrzebujesz mikroskopu, aby je zobaczyć i rozpoznać, która metoda tworzenia kolorów jest używana.
Zastosowanie Finding do technologii konsumenckiej
Umiejętność precyzyjnego tworzenia i manipulowania małymi prętami w skali nano odgrywa dużą rolę w przełomie zespołu. Nawet nieznaczne zmniejszenie długości lub odstępów między tymi małymi prętami wpłynęłoby na kolorystykę ukończonego wyświetlacza. Skalowanie produkcji do masowej produkcji tego rodzaju wyświetlaczy może również stanowić problem - przynajmniej na początku. Link ma jednak nadzieję, wskazując na dwie istniejące technologie produkcyjne, które można wykorzystać do budowy tego rodzaju wyświetlaczy - litografię UV, która wykorzystuje światło o wysokiej energii do produkcji drobnych struktur, oraz litografię nanoimprint, która wykorzystuje stemple i nacisk (podobnie jak sposób cyfry na tablicy rejestracyjnej są wytłoczone, ale w skali mikroskopowej).
„Oprócz znalezienia odpowiedniej metody, abyśmy mogli modelować większe obszary”, mówi Link, „reszta procesu produkcyjnego jest w rzeczywistości dość prosta”.
Link nie chciał zgadywać, kiedy zobaczymy te nanoskalowe piksele używane w komercyjnych wyświetlaczach i urządzeniach. W tym momencie on i jego koledzy naukowcy nadal skupiają się na udoskonalaniu technologii w celu osiągnięcia kamuflażu przypominającego kałamarnicę. Współpraca z twórcami wyświetlaczy komercyjnych może jednak pomóc zespołowi zbliżyć się do tego celu, a jednocześnie prowadzić do nowych rodzajów wyświetlaczy dla urządzeń konsumenckich.
Być może grupa Link w Rice powinna współpracować z badaczami z MIT, którzy pracują również nad odtworzeniem właściwości skóry głowonogów. Tamtejsi naukowcy i inżynierowie zademonstrowali materiał, który może naśladować nie tylko kolor, ale także teksturę. Będzie to ważna cecha dla wojskowego celu, jakim jest uczynienie pojazdów niewidocznymi. Elastyczny wyświetlacz może na przykład sprawić, że z daleka zbiornik będzie wyglądał jak skały lub gruz. Ale jeśli jego boki są nadal gładkie i płaskie, nadal będzie się wyróżniał po dokładniejszym zbadaniu.
