Maling med lys:Nye nanopiller styrer præcist intensiteten af ​​transmitteret lys

Ved at skinne hvidt lys på en rude med millioner af små titaniumdioxidsøjler, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres samarbejdspartnere har med forbløffende troskab gengivet de lysende nuancer og subtile nuancer af "Girl With a Pearl Earring, " Den hollandske kunstner Johannes Vermeers mesterværk. Tilgangen har potentielle anvendelser til at forbedre optisk kommunikation og gøre valuta sværere at forfalske.

For eksempel, ved at tilføje eller droppe en bestemt farve, eller bølgelængde, af lys, der rejser i en optisk fiber, videnskabsmænd kan kontrollere mængden af ​​information, som fiberen bærer. Ved at ændre intensiteten, forskere kan opretholde lysstyrken af ​​lyssignalet, når det rejser lange afstande i fiberen. Fremgangsmåden kan også bruges til at "male" papirpenge med små, men indviklede farvedetaljer, som en falskmøntner ville have meget svært ved at forfalske.

Andre videnskabsmænd har tidligere brugt små søjler, eller nanopiller, af varierende størrelser for at fange og udsende specifikke farver, når de belyses med hvidt lys. Bredden af ​​nanopillerne, som er omkring 600 nanometer i højden, eller mindre end en hundrededel af diameteren af ​​et menneskehår, bestemmer den specifikke farve af lys, som en søjle fanger og udsender. For en krævende test af en sådan teknik, forskere undersøgte, hvor godt nanopillerne gengav farverne på et velkendt maleri, såsom Vermeer.

Selvom flere hold af forskere med succes havde arrangeret millioner af nanopillarer, hvis størrelser var skræddersyet til at transmittere rødt, grønt eller blåt lys for at skabe en bestemt palet af outputfarver, forskerne havde ingen måde at kontrollere intensiteten af ​​disse farver. Intensiteten, eller lysstyrke, af farver bestemmer et billedes lys og skygge - dets chiaroscuro - og forbedrer evnen til at formidle indtryk af perspektiv og dybde, et karakteristisk træk ved Vermeers værk.

Nu, ved at fremstille nanopiller, der ikke kun fanger og udsender specifikke farver af lys, men også ændrer dets polarisering i varierende grad, NIST-forskerne og deres samarbejdspartnere fra Nanjing Universitet i Kina har for første gang demonstreret en måde at kontrollere både farve og intensitet på. Forskerne, som inkluderer Amit Agrawal og Wenqi Zhu fra NIST og University of Maryland i College Park, og Henri Lezec fra NIST, beskrive deres resultater i 20. september-udgaven af ​​tidsskriftet Optica , lagt online i dag.

I deres nye arbejde, NIST-holdet fremstillede på et objektglas nanopillarer af titaniumdioxid, der havde et elliptisk tværsnit snarere end et cirkulært. Cirkulære genstande har en enkelt ensartet diameter, men elliptiske objekter har en lang akse og en kort akse.

Forskerne designede nanopillerne, så deres lange akse på forskellige steder var mere på linje eller mindre på linje med polariseringen af ​​det indkommende hvide lys. (Polariseret lys er lys, hvis elektriske felt vibrerer i en bestemt retning, mens det bevæger sig hen over rummet.) Hvis nanopøjlens lange akse var nøjagtigt justeret med polarisationsretningen af ​​det indkommende lys, polariseringen af ​​det transmitterede lys var upåvirket. Men hvis den lange akse blev drejet med en vinkel - for eksempel 20 grader - i forhold til retningen af ​​polarisering af det indkommende lys, nanopøjlen drejede polariseringen af ​​det indfaldende lys med det dobbelte af denne vinkel - i dette tilfælde, 40 grader.

På hvert sted på glasruden, orienteringen af ​​en nanopøjle drejede polariseringen af ​​den røde, grønt eller blåt lys det transmitterede med en bestemt mængde.

I sig selv, rotationen af ​​hver nanopille ville på ingen måde ændre intensiteten af ​​det transmitterede lys. Men i tandem med et specielt polariserende filter placeret på bagsiden af ​​glaspladen, holdet nåede det mål.

Filteret var orienteret, så det forhindrede lys, der havde bevaret sin oprindelige polarisering, i at passere igennem. (Solbriller virker på nogenlunde samme måde:Linserne fungerer som vertikalt polariserede filtre, reduktion af intensiteten af ​​vandret polariseret blænding.) Det ville være tilfældet for ethvert sted på glaspladen, hvor en nanopille havde efterladt uændret polariseringen af ​​det indfaldende lys. Et sådant område ville projicere som en mørk plet på en fjern skærm.

På steder, hvor en nanopille havde roteret polariseringen af ​​det indfaldende hvide lys, filteret tillod en vis mængde af det røde, grønt eller blåt lys til at passere. Mængden afhang af rotationsvinklen; jo større vinkel, jo større er intensiteten af ​​det transmitterede lys. På denne måde holdet, for første gang, kontrolleret både farve og lysstyrke.

Da NIST-forskerne havde demonstreret det grundlæggende design, de skabte en digital kopi af en miniatureversion af Vermeer-maleriet, omkring 1 millimeter lang. De brugte derefter den digitale information til at guide fremstillingen af ​​en matrix af millioner af nanopillarer. Forskerne repræsenterede farven og intensiteten af ​​hvert billedelement, eller pixel, af Vermeer af en gruppe på fem nanopiller - en rød, to grønne og to blå – orienteret i bestemte vinkler til det indkommende lys. Undersøgte det millimeterstore billede, som holdet havde skabt ved at skinne hvidt lys gennem nanopillerne, forskerne fandt ud af, at de gengav "Girl With the Pearl Earring" med ekstrem klarhed, selv at fange teksturen af ​​oliemaling på lærred.

"Kvaliteten af ​​reproduktionen, fanger de subtile farveovergange og skyggedetaljer, er simpelthen bemærkelsesværdig, " sagde NIST-forsker og studiemedforfatter Agrawal. "Dette arbejde bygger ganske elegant bro mellem kunst og nanoteknologi."

For at konstruere nanopillerne, Agrawal og hans kolleger deponerede først et lag af en ultratynd polymer på glas, kun et par hundrede nanometer tyk. Ved at bruge en elektronstråle som et miniaturebor, de udgravede derefter en række millioner af bittesmå huller af forskellige dimensioner og orienteringer i polymeren.

Derefter, ved at bruge en teknik kendt som atomlagsaflejring, de tilbagefyldte disse huller med titaniumdioxid. Endelig, holdet ætset al polymeren, der omgiver hullerne, væk, efterlader millioner af små søjler af titaniumdioxid. Dimensionen og orienteringen af ​​hver nanopiller repræsenteret, henholdsvis, farvetonen og lysstyrken af ​​det endelige millimeterbillede.

Nanopillar-teknikken kan let tilpasses til at transmittere specifikke lysfarver, med særlige intensiteter, at kommunikere information gennem en optisk fiber, eller at præge en værdifuld genstand med en miniature, multihued identifikationsmærke, der ville være svært at replikere.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.