At gøre glas usynligt-en nanovidenskabsbaseret forsvindende handling

Hvis du nogensinde har set fjernsyn i alt andet end totalt mørke, brugte en computer, mens du sad under overliggende belysning eller i nærheden af ​​et vindue, eller taget et billede udenfor på en solskinsdag med din smartphone, du har oplevet en stor gene ved moderne skærme:blænding. De fleste af dagens elektroniske enheder er udstyret med glas- eller plastdæksler til beskyttelse mod støv, fugtighed, og andre miljøforurenende stoffer, men lysrefleksion fra disse overflader kan gøre oplysninger, der vises på skærmene, svære at se.

Nu, forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et amerikansk Department of Energy Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory - har demonstreret en metode til at reducere overfladerefleksioner fra glasoverflader til næsten nul ved at ætte små nanoskalaelementer i dem.

Når lys støder på en brat ændring i brydningsindeks (hvor meget en lysstråle bøjer, når det krydser fra et materiale til et andet, mellem luft og glas), en del af lyset reflekteres. Nanoskalaegenskaberne har den effekt, at brydningsindekset gradvist ændres fra luftens til glasets, derved undgå refleksioner. Det ultratransparente nanotekstruerede glas er antireflekterende over et bredt bølgelængdeområde (hele det synlige og nær-infrarøde spektrum) og på tværs af en lang række betragtningsvinkler. Refleksioner reduceres så meget, at glasset i det væsentlige bliver usynligt.

Dette "usynlige glas" kunne gøre mere end at forbedre brugeroplevelsen for forbrugerelektroniske displays. Det kan øge solcellens energiomsætningseffektivitet ved at minimere mængden af ​​sollys, der går tabt ved reflektion. Det kan også være et lovende alternativ til de skadelige antireflekterende belægninger, der konventionelt bruges i lasere, der udsender kraftige lysimpulser, såsom dem, der anvendes til fremstilling af medicinsk udstyr og rumfartskomponenter.

"Vi er spændte på mulighederne, "sagde CFN -direktør Charles Black, tilsvarende forfatter på papiret udgivet online den 30. oktober i Anvendt fysik bogstaver . "Ikke alene er ydeevnen af ​​disse nanostrukturerede materialer ekstremt høj, men vi implementerer også ideer fra nanovidenskab på en måde, som vi mener er medvirkende til storstilet fremstilling. "

Tidligere Brookhaven Lab postdocs Andreas Liapis, nu stipendiat ved Massachusetts General Hospital's Wellman Center for Photomedicine, og Atikur Rahman, en adjunkt i Institut for Fysik ved Indian Institute of Science Education and Research, Pune, er medforfattere.

At teksturere glasoverfladerne i nanoskalaen, forskerne brugte en tilgang kaldet selvsamling, hvilket er visse materialers evne til spontant at danne bestilte arrangementer på egen hånd. I dette tilfælde, selvsamlingen af ​​et blokcopolymermateriale gav en skabelon til ætsning af glasoverfladen i en "skov" af kegleformede strukturer i nanoskala med skarpe spidser-en geometri, der næsten fuldstændigt eliminerer overfladerefleksionerne. Blokcopolymerer er industrielle polymerer (gentagende kæder af molekyler), der findes i mange produkter, herunder skosåler, klæbende bånd, og bilindretning.

Sorte og CFN -kolleger har tidligere brugt en lignende nanotekstursteknik til at bibringe silicium, glas, og nogle plastmaterialer med vandafvisende og selvrensende egenskaber og anti-dug-evner, og også for at gøre silicium solceller antireflekterende. Overfladen nanoforbindelser efterligner dem, der findes i naturen, såsom de bittesmå lysfangerpæle, der gør mølløjne mørke for at hjælpe insekterne med at undgå opdagelse af rovdyr og de voksagtige kogler, der holder cikadevingerne rene.

"Denne enkle teknik kan bruges til at nanoteksturere næsten ethvert materiale med præcis kontrol over størrelsen og formen af ​​nanostrukturer, "sagde Rahman." Det bedste er, at du ikke har brug for et separat belægningslag for at reducere blænding, og de nanotekstruerede overflader overgår ethvert belægningsmateriale, der er tilgængeligt i dag. "

"Vi har fjernet refleksioner fra glasvinduer ikke ved at belægge glasset med lag af forskellige materialer, men ved at ændre overfladens geometri i nanoskalaen, "tilføjede Liapis." Fordi vores endelige struktur udelukkende består af glas, det er mere holdbart end konventionelle antireflekterende belægninger. "

For at kvantificere ydeevnen af ​​de nanotekstruerede glasoverflader, forskerne målte mængden af ​​lys, der overføres og reflekteres fra overfladerne. I god overensstemmelse med deres egne modelsimuleringer, de eksperimentelle målinger af overflader med nanoteksturer i forskellige højder viser, at højere kogler reflekterer mindre lys. For eksempel, glasoverflader dækket med 300 nanometer høje nanotekster reflekterer mindre end 0,2 procent af indgående rødfarvet lys (633 nanometer bølgelængde). Selv ved den nær-infrarøde bølgelængde på 2500 nanometer og betragtningsvinkler så høje som 70 grader, mængden af ​​lys, der passerer gennem de nanostrukturerede overflader, forbliver høj - over 95 og 90 procent, henholdsvis.

I et andet forsøg, de sammenlignede ydeevnen for en kommerciel silicium solcelle uden et dæksel, med et konventionelt glasdæksel, og med et nanotekstureret glasdæksel. Solcellen med nanotekstureret glasdæksel genererede den samme mængde elektrisk strøm som den uden dæksel. De udsatte også deres nanoteksturerede glas for korte laserpulser for at bestemme intensiteten, hvormed laserlyset begynder at beskadige materialet. Deres målinger afslører, at glasset kan modstå tre gange mere optisk energi pr. Arealenhed end kommercielt tilgængelige antirefleksbelægninger, der opererer over et bredt bølgelængdeområde.

"Vores rolle i CFN er at demonstrere, hvordan nanovidenskab kan lette design af nye materialer med forbedrede egenskaber, "sagde Black." Dette arbejde er et godt eksempel på det - vi vil meget gerne finde en partner, der hjælper med at fremme disse bemærkelsesværdige materialer hen imod teknologi. "