Forskere spraymaler ultratynde belægninger, der skifter farve med kun få atomers forskel i tykkelse

I Harvards Pierce Hall, overfladen af ​​et lille germanium-belagt guldark skinner levende i karmosinrødt. En centimeter til højre, hvor den samme metalliske belægning bogstaveligt talt kun er omkring 20 atomer tykkere, overfladen er mørkeblå, næsten sort. Farverne danner logoet for Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hvor forskere har demonstreret en ny måde at tilpasse farven på metaloverflader ved at udnytte et fuldstændig overset optisk fænomen.

I århundreder har man troet, at tyndfilmsinterferenseffekter, såsom dem, der får olierede fortove til at reflektere en regnbue af hvirvlende farver, kunne ikke forekomme i uigennemsigtige materialer. Harvard-fysikere har nu opdaget, at selv meget "tabende" tynde film, hvis atomisk tynd, kan skræddersyes til at afspejle et bestemt udvalg af dramatiske og levende farver.

Udgivet i tidsskriftet Naturmaterialer den 14. oktober opdagelsen åbner nye muligheder for sofistikerede optiske enheder, samt forbrugerprodukter som smykker og nye teknikker inden for billedkunsten.

Opdagelsen er den seneste, der dukkede op fra Federico Capassos laboratorium, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS, hvis forskergruppe senest har produceret ultratynde flade linser og nålelysstråler, der skummer overfladen af ​​metaller. Den røde tråd i Capassos seneste arbejde er manipulation af lys ved grænsefladen mellem materialer, der er konstrueret på nanoskala, et felt kaldet nanofotonik. Kandidatstuderende og hovedforfatter Mikhail A. Kats førte dette tema ind i farvernes rige.

"I min gruppe, vi genovervejer ofte gamle fænomener, hvor du tror, ​​at alt allerede er kendt, " siger Capasso. "Hvis du har sansende øjne, som mange af mine elever gør, du kan opdage spændende ting, der er blevet overset. I dette særlige tilfælde var der næsten en bias blandt ingeniører, at hvis du bruger interferens, bølgerne skal hoppe mange gange, så materialet må hellere være gennemsigtigt. Hvad Mikhail har gjort - og det er ganske vist nemt at beregne - er at vise, at hvis du bruger en lysabsorberende film som germanium, meget tyndere end lysets bølgelængde, så kan du stadig se store interferenseffekter."

Resultatet er en struktur lavet af kun to elementer, guld og germanium (eller mange andre mulige parringer), der skinner i den farve man vælger.

"Vi er alle bekendt med det fænomen, man ser, når der er en tynd hinde benzin på vejen på en våd dag, og du ser alle disse forskellige farver, " forklarer Capasso.

Disse farver vises, fordi toppene og dalene i lysbølgerne interfererer med hinanden, når de passerer gennem olien ned i vandet og reflekteres tilbage op i luften. Nogle farver (bølgelængder) får et løft i lysstyrke (amplitude), mens andre farver går tabt.

Det er i bund og grund den samme effekt, som Capasso og Kats udnytter, med medforfatterne Romain Blanchard og Patrice Genevet. Den absorberende germaniumbelægning fanger visse lysfarver, mens den vender fasen på andre, så bølgetoppene og bølgedalerne ligger tæt på hinanden og reflekterer en ren, levende farve.

"I stedet for at forsøge at minimere optiske tab, vi bruger dem som en integreret del af designet af tyndfilmsbelægninger, " bemærker Kats. "I vores design, refleksion og absorption samarbejder for at give den maksimale effekt."

Mest forbløffende, selvom, en forskel på kun få atomers tykkelse hen over belægningen er tilstrækkelig til at frembringe de dramatiske farveskift. Germaniumfilmen påføres gennem standard fremstillingsteknikker - litografi og fysisk dampaflejring, som forskerne sammenligner med stencilering og spraymaling - altså med kun en minimal mængde materiale (en tykkelse mellem 5 og 20 nanometer), kunstfærdige farvede designs kan nemt mønstres på enhver overflade, store eller små.

"Bare ved at ændre tykkelsen af ​​den film med omkring 15 atomer, du kan ændre farven, " siger Capasso. "Det er bemærkelsesværdigt."

Forskerne har allerede udført den samme behandling på sølv, får det til at se guld ud, samt en række pastelfarver.

Harvard's Office of Technology Development har indgivet en patentansøgning og arbejder sammen med Capasso-laboratoriet for at forfølge kommercialiseringen af ​​denne nye teknologi, enten gennem en nystartet virksomhed eller gennem licensering til eksisterende virksomheder. Anvendelsesområder, der undersøges, omfatter forbrugerprodukter og optiske enheder, såsom filtre, skærme, solcelleanlæg, detektorer, og modulatorer.