Bedre end Star Wars:Kemisk opdagelse giver 3-D bordobjekter, der er fremstillet af lys

En videnskabsmands drøm om 3D-projektioner som dem, han så for mange år siden i en Star Wars-film, har ført til ny teknologi til at lave animerede 3D-objekter ved at strukturere lys.

Den nye teknologi bruger fotoswitchmolekyler til at levendegøre 3D-lysstrukturer, der kan ses fra 360 grader, siger kemiker Alexander Lippert, Southern Methodist University, Dallas, der ledede forskningen.

Den økonomiske metode til at forme lys til et uendeligt antal volumetriske objekter ville være nyttig på en række områder, fra biomedicinsk billeddannelse, uddannelse og teknik, til tv, film, videospil og mere.

"Vores idé var at bruge kemi og specielle fotoswitchmolekyler til at lave et 3D-display, der leverer en 360-graders udsigt, "Sagde Lippert." Det er ikke et hologram, det er virkelig tredimensionelt struktureret lys. "

Nøglen til teknologien er et molekyle, der skifter mellem ikke-fluorescerende og fluorescerende i reaktion på tilstedeværelse eller fravær af ultraviolet lys.

Den nye teknologi er ikke et hologram, og adskiller sig fra 3D-film eller 3D-computerdesign. Det er flade skærme, der bruger kikkertforskelle eller lineært perspektiv for at få objekter til at se tredimensionelle ud, når de faktisk kun har højde og bredde og mangler en ægte volumenprofil.

"Når du ser en 3D-film, for eksempel, det narrer din hjerne til at se 3D ved at præsentere to forskellige billeder for hvert øje, "Sagde Lippert." Vores display lurer ikke din hjerne - vi har brugt kemi til at strukturere lys i tre faktiske dimensioner, så ingen tricks, bare en rigtig tredimensionel lysstruktur. Vi kalder det en 3-D digital lys fotoaktiverbar farvestof, eller 3-D Light Pad til kort, og det ligner meget mere det, vi ser i det virkelige liv. "

Kernen i SMU 3-D Light Pad-teknologien er et "fotoswitch" -molekyle, som kan skifte fra farveløs til fluorescerende, når den lyser med en stråle af ultraviolet lys.

Forskerne opdagede en kemisk innovation til at indstille fotoswitchmolekylets termiske fadinghastighed-dens tænd / sluk-switch-ved at tilføje den kemiske aminbase triethylamin.

Nu er himlen grænsen for den nye SMU 3-D Light Pad-teknologi, i betragtning af de mange mulige anvendelser, sagde Lippert, en ekspert i fluorescens og kemiluminescens - ved hjælp af kemi til at udforske vekselvirkningen mellem lys og stof.

For eksempel, konferenceopkald kunne føles mere som møder ansigt til ansigt med volumetriske 3D-billeder projiceret på stole. Byggeri og fremstillingsprojekter kan have fordel af at gøre dem først i 3D til at observere og diskutere rumlig information i realtid. For militæret, anvendelser kan omfatte taktiske 3D-replikationer af slagmarker på land, i luften, under vand eller endda i rummet.

Volumetrisk 3D kan også gavne det medicinske område.

"Med ægte 3D-resultater af en MR, radiologer kunne lettere genkende abnormiteter som kræft, "Lippert sagde." Jeg tror, ​​det ville have en betydelig indvirkning på menneskers sundhed, fordi et egentligt 3D-billede kan levere mere information. "

I modsætning til 3D-udskrivning, volumetrisk 3D-struktureret lys kan let animeres og ændres for at imødekomme en ændring i designet. Også, flere mennesker kan samtidigt se forskellige sider af volumetrisk display, tænkeligt at lave forlystelsesparker, reklame, 3D-film og 3D-spil mere naturtro, visuelt overbevisende og underholdende.

Lippert og hans team rapporterer om den nye teknologi og den opdagelse, der gjorde det muligt i artiklen "Et volumetrisk tredimensionalt digitalt lys, fotoaktiverbart farvedisplay, "offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Medforfattere er Shreya K. Patel, hovedforfatter, og Jian Cao, begge studerende på SMU Institut for Kemi.

Idéens oprindelse - filmisk inspiration

Ideen om at forme lys til volumetriske animerede 3D-objekter kom fra Lipperts barndomsfascination af filmen "Star Wars". Specielt blev han inspireret, da R2-D2 projekterer et hologram af prinsesse Leia. Lipperts interesse fortsatte med holodækket i "Star Trek:The Next Generation."

"Som barn forsøgte jeg hele tiden at tænke på en måde at opfinde dette på, "Sagde Lippert." Da jeg først fik en baggrund inden for kemimolekyler, der interagerer med lys, og en forståelse af fotoswitches, endelig gik det op for mig, at jeg kunne tage to lysstråler og bruge kemi til at manipulere lysets emission. "

Nøglen til den nye teknologi var at opdage, hvordan man slukker og tænder den kemiske fotoswitch øjeblikkeligt, og generering af lysemissioner fra skæringspunktet mellem to forskellige lysstråler i en opløsning af det fotoaktiverbare farvestof, han sagde.

SMU -kandidatstuderende i kemi Jian Cao antog, at den aktiverede fotoswitch hurtigt ville slukke ved at tilføje basen. Han havde ret.

"Den kemiske innovation var vores opdagelse, at ved at tilføje en dråbe triethylamin, vi kunne justere hastigheden af ​​termisk fading, så den øjeblikkeligt går fra en lyserød løsning til en klar løsning, "Sagde Lippert." Uden en base, aktiveringen med UV -lys tager minutter til timer at falme tilbage og slukke, hvilket er et problem, hvis du prøver at lave et billede. Vi ønskede, at reaktionshastigheden med UV -lys skulle være meget hurtig, får den til at tænde. Vi ville også have off-rate til at være meget hurtig, så billedet ikke bløder. "

SMU 3-D Light Pad

Ved valg mellem forskellige fotoswitchfarvestoffer, forskerne bosatte sig på N-phenyl spirolactam rhodaminer. Den særlige klasse af rhodaminfarvestoffer blev første gang beskrevet i slutningen af ​​1970'erne og gjort brug af Stanford Universitets Nobelprisvindende W.E. Moerner.

Farvestoffet absorberer lys i det synlige område, gør det passende at fluorescere lys. Skinner det med UV -stråling, specifikt, udløser en fotokemisk reaktion og tvinger den til at åbne sig og blive fluorescerende.

Slukning af UV -lysstrålen lukker fluorescens ned, reducerer lysspredning, og gør reaktionen reversibel-ideel til at skabe et animeret 3D-billede, der tændes og slukkes.

"Tilføjelse af triethylamin for hurtigt at slukke og tænde det var en vigtig kemisk opdagelse, som vi gjorde, "Sagde Lippert.

For at producere et synligt billede havde de stadig brug for en opsætning for at strukturere lyset.

Strukturlys i borddisplay

Forskerne startede med en specialbygget, bordplade, billedkammer i kvartsglas 50 millimeter med 50 millimeter med 50 millimeter til at huse fotoswitchen og for at fange lys.

Indenfor indsatte de et flydende opløsningsmiddel, dichlormethan, som matrix, hvori N-phenyl-spirolactam-rhodamin opløses, det faste, hvidt krystallinsk fotoswitchfarvestof.

Derefter projicerede de mønstre ind i kammeret for at strukturere lys i to dimensioner. De brugte en off-the-shelf Digital Light Processing (DLP) projektor købt hos Best Buy til stråling af synligt lys.

DLP -projektoren, som reflekterer synligt lys via en række mikroskopisk små spejle på en halvlederchip, projicerede en stråle af grønt lys i form af en firkant. For UV -lys, forskerne skinnede en række UV-lysstænger fra en specialfremstillet 385-nanometer lysemitterende diode-projektor fra den modsatte side.

Hvor lyset krydsede og blandede sig i kammeret, der blev vist et mønster af todimensionale firkanter stablet hen over kammeret. Optimerede filtersæt eliminerede blåt baggrundslys og lod kun rødt lys passere.

For at få et statisk 3D-billede, de mønstrede lyset i begge retninger, med en trekant fra UV og en grøn trekant fra det synlige, giver en pyramide i krydset, Sagde Lippert.

Derfra, et af de første animerede 3D-billeder, forskerne lavede, var SMU-maskoten, Peruna, en racermustang.

"For Peruna-real-time 3D-animation-fandt SMU-bachelorstuderende Shreya Patel en måde at stråle en UV-lysstang og holde den stabil, projicér derefter med det grønne lys en film af mustangen, der kører, "Sagde Lippert.

Så lang renæssance

Dagens 3D-billeder stammer fra den italienske renæssance og dens førende arkitekt og ingeniør.

"Brunelleschi under sit arbejde med dåbskapellet St. John var den første til at bruge den matematiske fremstilling af lineært perspektiv, som vi nu kalder 3-D. Sådan brugte kunstnere visuelle tricks til at få et 2-D-billede til at se 3-D ud, "Lippert sagde." Parallelle linjer konvergerer på et forsvindingspunkt og giver en stærk følelse af 3D. Det er et nyttigt trick, men det er slående, at vi stadig bruger en 500 år gammel teknik til at vise 3D-oplysninger. "

SMU 3-D Light Pad-teknologien, patenteret i 2016, har en række fordele i forhold til andres samtidige forsøg på at skabe et volumetrisk display, men det er ikke fremkommet som kommercielt levedygtigt.

Nogle af dem har været omfangsrige eller vanskelige at justere, mens andre bruger dyre sjældne jordartsmetaller, eller stole på kraftige lasere, der er både dyre og noget farlige.

SMU 3-D Light Pad bruger lavere lysstyrker, som ikke kun er billigere, men også sikrere. Matrixen til displayet er også økonomisk, og der er ingen bevægelige dele at fremstille, vedligeholde eller nedbryde.

Lippert og hans team fremstillede SMU 3-D Light Pad for under $ 5, 000 gennem et tilskud fra SMU University Research Council.

"For en virkelig beskeden investering har vi gjort noget, der kan konkurrere med dyrere $ 100, 000 systemer, "Lippert sagde." Vi tror, ​​vi kan optimere dette og få det ned til et par tusinde dollars eller endnu lavere. "

Næste generation:SMU 3-D Light Pad 2.0

Opløsningskvaliteten for et 2-D digitalt fotografi angives i pixels. Jo flere pixels, jo skarpere og højere kvalitet billedet har. Tilsvarende 3D-objekter måles i voxels-en pixel, men med volumen. Den nuværende 3D-lyspude kan generere mere end 183, 000 voxels, og simpelthen skalering af volumenstørrelsen skulle øge antallet af voxels til millioner - svarende til antallet af spejle i DLP -mikromirrorarrays.

Til deres fremvisning, SMU -forskerne ønskede den højest mulige opløsning, målt i mindste afstand mellem to af stængerne. De opnåede 200 mikron, hvilket sammenligner sig positivt med 100 mikron for et standard -tv -display eller 200 mikron for en projektor.

Målet er nu at bevæge sig væk fra en flydende beholder med opløsningsmiddel til displayet til et massivt terningbord. Optisk polymer, for eksempel, ville veje omtrent det samme som et tv -apparat. Lippert leger også med tanken om et aerosoldisplay.

Forskerne håber at udvide fra et monokromt rødt billede til ægte farve, baseret på blanding af rødt, grønt og blåt lys. De arbejder på at optimere optikken, grafikmotor, linser, projektorteknologi og fotoswitchmolekyler.

"Jeg synes, det er et meget fascinerende område. Alt, hvad vi ser - al den farve, vi ser - stammer fra lysets vekselvirkning med stof, "Sagde Lippert." Molekylerne i et objekt absorberer en bølgelængde af lys, og vi ser alt det andet, der reflekteres. Så når vi ser blå, det er fordi objektet absorberer alt det røde lys. Hvad mere er, det er faktisk fotoswitchmolekyler i vores øjne, der starter processen med at oversætte forskellige bølgelængder af lys til den bevidste oplevelse af farve. Det er den grundlæggende kemi, og det bygger hele vores visuelle verden. At være nedsænket i kemi hver dag - det er det filter, jeg ser alt igennem. "

SMU -opdagelsen og ny teknologi, Lippert sagde, taler om kraften til at opmuntre små børn.

"De kommer ikke til at løse alle verdens problemer, når de er syv år gamle, "sagde han." Men ideer får frø, og hvis de bliver plejet, når børn vokser op, kan de opnå ting, vi aldrig troede var mulige. "