Kemisk reaktion ændrer farverne på plasmoniske prints

Plasmonisk udskrivning producerer opløsninger flere gange større end konventionelle udskrivningsmetoder. Ved plasmonisk trykning, farver dannes på overfladerne af små metalliske partikler, når lys exciterer deres elektroner til at svinge. Forskere ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart har nu vist, hvordan farverne på sådanne metalliske partikler kan ændres med brint. Teknikken kunne åbne vejen for at animere billeder i ultrahøj opløsning og for at udvikle ekstremt skarpe skærme. På samme tid, det giver nye metoder til at kryptere information og opdage forfalskninger.

Glashåndværkere i middelalderen udnyttede effekten længe før den overhovedet var kendt. De farvede de storslåede vinduer i gotiske katedraler med nanopartikler af guld, som lyste rødt i lyset. Det var først i midten af ​​det 20. århundrede, at det underliggende fysiske fænomen fik et navn:plasmoner. Disse kollektive oscillationer af frie elektroner stimuleres af absorptionen af ​​indfaldende elektromagnetisk stråling. Jo mindre metalliske partikler, jo kortere er bølgelængden af ​​den absorberede stråling. I nogle tilfælde, resonansfrekvensen, dvs. absorptionsmaksimum, falder inden for det synlige lysspektrum. Den uabsorberede del af spektret bliver derefter spredt eller reflekteret, skabe et farveindtryk. De metalliske partikler, som normalt ser sølvfarvede ud, kobberfarvet eller gyldent, så få helt nye farver.

En opløsning på 100, 000 punkter pr. tomme

Forskere udnytter også effekten til at udvikle plasmonisk print, hvor skræddersyede firkantede metalpartikler er arrangeret i bestemte mønstre på et substrat. Kantlængden af ​​partiklerne er i størrelsesordenen mindre end 100 nanometer (100 milliardtedele af en meter). Dette tillader en opløsning på 100, 000 punkter pr. tomme – flere gange større end hvad nutidens printere og skærme kan opnå.

For metalliske partikler, der måler flere 100 nanometer på tværs, plasmonernes resonansfrekvens ligger inden for det synlige lysspektrum. Når hvidt lys falder på sådanne partikler, de vises i en bestemt farve, for eksempel rød eller blå. Farven på det pågældende metal bestemmes af partiklernes størrelse og deres afstand fra hinanden. Disse justeringsparametre tjener derfor samme formål i plasmonisk tryk som paletten af ​​farver i maleri.

Tricket med den kemiske reaktion

Smart Nanoplasmonics Research Group ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart gør også brug af denne farvevariabilitet. De arbejder i øjeblikket på at lave dynamisk plasmonisk print. De har nu præsenteret en tilgang, der giver dem mulighed for at ændre farverne på pixels forudsigeligt – selv efter et billede er blevet printet. "Tricket er at bruge magnesium. Det kan gennemgå en reversibel kemisk reaktion, hvor grundstoffets metalliske karakter går tabt, " forklarer Laura Na Liu, som leder Stuttgart-forskningsgruppen. "Magnesium kan absorbere op til 7,6 vægtprocent brint for at danne magnesiumhydrid, eller MgH2", fortsætter Liu. Forskerne belægger magnesium med palladium, som fungerer som katalysator i reaktionen.

Under den kontinuerlige overgang af metallisk magnesium til ikke-metallisk MgH2, farven på nogle af pixels ændres flere gange. Farveændringen og hastigheden af ​​den hastighed, hvormed den fortsætter, følger et tydeligt mønster. Dette bestemmes både af størrelsen af ​​og afstanden mellem de enkelte magnesiumpartikler samt af mængden af ​​tilstedeværende brint.

I tilfælde af total brintmætning, farven forsvinder helt, og pixels reflekterer alt det hvide lys, der falder på dem. Dette skyldes, at magnesium ikke længere er til stede i metallisk form, men kun som MgH2. Derfor, der er heller ingen frie metalelektroner, der kan fås til at svinge.

Minervas forsvindende handling

Forskerne demonstrerede effekten af ​​en sådan dynamisk farveadfærd på et plasmonisk print af Minerva, den romerske gudinde for visdom, som også bar Max Planck Societys logo. De valgte størrelsen på deres magnesiumpartikler, så Minervas hår først så rødligt ud, hovedbeklædningen gul, fjerkammen rød og laurbærkransen og omridset af hendes ansigt blå. De vaskede derefter mikroprintet med brint. En time-lapse film viser, hvordan de enkelte farver ændrer sig. Gul bliver rød, rød bliver blå, og blå bliver hvid. Efter et par minutter forsvinder alle farverne, afslører en hvid overflade i stedet for Minerva.

Forskerne viste også, at denne proces er reversibel ved at erstatte brintstrømmen med en strøm af ilt. Ilten reagerer med brinten i magnesiumhydridet og danner vand, så magnesiumpartiklerne igen bliver metalliske. Pixels skifter derefter tilbage i omvendt rækkefølge, og til sidst dukker Minerva op i sine originale farver.

På lignende måde fik forskerne først mikrobilledet af et berømt Van Gogh-maleri til at forsvinde og derefter dukke op igen. De producerede også komplekse animationer, der giver indtryk af fyrværkeri.

Princippet om en ny krypteringsteknik

Laura Na Liu kan forestille sig at bruge dette princip i en ny krypteringsteknologi. For at demonstrere dette, gruppen dannede forskellige bogstaver med magnesiumpixel. Tilsætningen af ​​brint fik derefter nogle bogstaver til at forsvinde over tid, ligesom billedet af Minerva. "Med hensyn til resten af ​​brevene, et tyndt oxidlag dannet på magnesiumpartiklerne efter at have eksponeret prøven i luft i kort tid før palladiumaflejring, " Liu forklarer. Dette lag er uigennemtrængeligt for brint. Magnesiumet, der ligger under oxidlaget, forbliver derfor metallisk - og synligt - fordi lys er i stand til at excitere plasmonerne i magnesiumet.

På denne måde er det muligt at skjule et budskab, for eksempel ved at blande ægte og useriøs information. Kun den tilsigtede modtager er i stand til at få den useriøse information til at forsvinde og filtrere den rigtige besked fra. For eksempel, efter afkodning af beskeden "Hartford" med brint, kun ordene "kunst eller" ville forblive synlige. For at gøre det sværere at knække sådanne krypterede beskeder, gruppen arbejder i øjeblikket på en proces, der vil kræve en præcist justeret brintkoncentration til dechifrering.

Liu mener, at teknologien også kan bruges en dag i kampen mod forfalskning. "For eksempel, plasmoniske sikkerhedsfunktioner kan være trykt på pengesedler eller farmaceutiske pakker, som senere kunne kontrolleres eller kun læses under specifikke forhold, der ikke er kendt for falskmøntnere."

Det behøver ikke nødvendigvis at være brint

Laura Na Liu ved, at brugen af ​​brint gør nogle applikationer vanskelige og upraktiske til hverdagsbrug såsom i mobile skærme. "Vi ser vores arbejde som et startskud til et nyt princip:brugen af ​​kemiske reaktioner til dynamisk udskrivning, " siger Stuttgart-fysikeren. Det er bestemt tænkeligt, at forskningen snart vil føre til opdagelsen af ​​kemiske reaktioner for andre farveændringer end faseovergangen mellem magnesium og magnesiumdihydrid, for eksempel, reaktioner, der ikke kræver gasformige reaktanter.