Farveskiftende belægninger klar til det store

Skive-tynd, ridsikre film kan generere en regnbue af farver ved hjælp af tilfældige metalliske nanostrukturer.

De blændende farver på påfuglefjer stammer fra lysets fysiske interaktion med biologiske nanostrukturer. Forskere har opdaget, hvordan man kan udnytte denne naturlige svindel, kendt som strukturel farve, til en stortryksteknologi, der producerer lette og ultrabestandige belægninger i enhver ønsket farve.

Forskere producerer rutinemæssigt fotoniske strukturer for at påvirke lysets adfærd til applikationer såsom fiberoptisk kommunikation. Mange grupper har brugt fotonisk teknologi til at generere nye former for kunstige strukturelle farver, der udnytter hele spektret af synligt lys.

At flytte denne teknologi ud af laboratoriet er udfordrende, imidlertid, fordi fotoniske nanostrukturer ofte er skrøbelige og vanskelige at producere i praktiske mængder.

Andrea Fratalocchi fra universitetets elektrotekniske program og kolleger fra Harvard University og ETH Zürich brugte våde kemiske teknikker til at hjælpe med at overvinde vanskelighederne ved at opskalere fotoniske farver. Inspireret af de nanoporøse fjer af den blommedroede cotinga-fugl, holdets tilgang begyndte med at sprutte en platin-aluminium-baseret legering på en målflade. Derefter, en proces kaldet dealloying opløser det meste af aluminiumet og får det resterende metal til at reorganisere sig til et ujævnt netværk med åbne nanoporer.

Næste, forskerne deponerede et ultratyndt lag beskyttende safir på metalnetværket for både at beskytte overfladen og ændre måden, hvorpå lys interagerer med de fotoniske nanoporer. Overraskende, små ændringer i safirtykkelsen fra 7 til 53 nanometer gav bemærkelsesværdige farveændringer-den oprindeligt transparente film gennemgik trinvise overgange til gul, orange, røde og blå toner.

"Kontrol af disse farver er eksperimentelt meget enkelt og bruger belægningsteknologier, der er billige og let implementerede, "sagde Fratalocchi." Dog, at forstå, hvordan de komplekse lys-stof-interaktioner genererer farver, tog måneders arbejde. "

Holdets simuleringer på højt niveau fastslog, at farvegenerering begynder, når lys rammer metallet og genererer bølgelignende enheder kendt som overfladeplasmoner. Når plasmonerne interagerer med de tilfældigt fordelte porer, de bliver fanget, og moduleringer i belægningens brydningsindeks frembragte epsilon-nær-nul-områder i nanoporerne, hvor bølger formerer sig ekstremt langsomt. Tilføjelse af safirfilmen forårsagede yderligere refleksioner af de fangede bølger, som skabte en strøm af mættet farve gennem resonanseffekter.

Fratalocchi bemærkede, at den måde farver dannes i denne struktur kan åbne vejen for "programmerbare" nanomaterialer til mange applikationer.

"Forestil dig en ridse på en bil, der kan males med et ekstremt tyndt materiale uden andre dyre procedurer, eller som letvægter, vedligeholdelsesfri måde at belægge fly på, "sagde han." Denne teknologi kan være en reel revolution. "