Автор AZoNano 7 сентября 2020 г.

Сияя белым светом на предметном стекле, усеянном миллионами крошечных столбиков из диоксида титана, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их сотрудники с удивительной точностью воспроизвели светящиеся оттенки и тонкие оттенки «Девушка с жемчужной сережкой», шедевр голландского художника Иоганнеса Вермеера.

У этого подхода есть потенциальные приложения для улучшения оптической связи и затруднения подделки валюты. Например, добавляя или исключая определенный цвет или длину волны света, распространяющегося в оптическом волокне, ученые могут контролировать количество информации, переносимой волокном. Изменяя интенсивность, исследователи могут поддерживать яркость светового сигнала при его прохождении по волокну на большие расстояния. Этот подход также можно использовать для «раскрашивания» бумажных денег небольшими, но замысловатыми цветными деталями, которые фальшивомонетчику будет очень трудно подделать.

Другие ученые ранее использовали крошечные столбы или наностолбики разных размеров, чтобы улавливать и излучать определенные цвета при освещении белым светом. Ширина наностолбиков, которые составляют около 600 нанометров в высоту, или менее одной сотой диаметра человеческого волоса, определяет конкретный цвет света, который улавливает и излучает столб. Для серьезной проверки такой техники исследователи проверили, насколько хорошо наностолбики воспроизводят цвета знакомой картины, такой как Вермеера.

Хотя несколько групп исследователей успешно расположили миллионы наностолбиков, размеры которых были адаптированы для передачи красного, зеленого или синего света, чтобы создать определенную палитру выходных цветов, у ученых не было возможности контролировать интенсивность этих цветов. Интенсивность или яркость цветов определяет свет и тень изображения – его светотень – и увеличивает способность передавать впечатления перспективы и глубины, что является отличительной чертой работ Вермеера.

Теперь, изготовив наностолбики, которые не только улавливают и излучают свет определенных цветов, но и изменяют его поляризацию в разной степени, исследователи NIST и их сотрудники из Нанкинского университета в Китае впервые продемонстрировали способ управления обоими цветами. и интенсивность. Исследователи, в число которых входят Амит Агравал и Венки Чжу из NIST и Университета Мэриленда в Колледж-Парке, а также Анри Лезек из NIST, описывают свои открытия в выпуске журнала Optica от 20 сентября, размещенного сегодня в Интернете.

В своей новой работе команда NIST изготовила на стеклянных предметных стеклах наностолбики из диоксида титана, которые имели эллиптическое поперечное сечение, а не круглое. Круглые объекты имеют один равномерный диаметр, а эллиптические объекты имеют длинную и короткую оси.

Исследователи сконструировали наностолбики таким образом, чтобы в разных местах их длинная ось была более или менее выровнена с поляризацией входящего белого света. (Поляризованный свет – это свет, электрическое поле которого колеблется в определенном направлении при перемещении в пространстве.) Если длинная ось наностолба была точно выровнена с направлением поляризации входящего света, поляризация проходящего света не изменилась. Но если длинная ось была повернута на некоторый угол – например, на 20 градусов – относительно направления поляризации падающего света, наностолбик поворачивает поляризацию падающего света вдвое на этот угол – в данном случае на 40 градусов. .

В каждом месте на предметном стекле ориентация наностолбика поворачивала поляризацию красного, зеленого или синего света, который он пропускал, на определенную величину.

Само по себе вращение, создаваемое каждым наностолбиком, никоим образом не изменяет интенсивность проходящего света. Но в тандеме со специальным поляризационным фильтром, размещенным на обратной стороне предметного стекла, команда достигла этой цели.

Фильтр был ориентирован так, чтобы не пропускать свет, сохранивший свою исходную поляризацию. (Солнцезащитные очки работают примерно так же: линзы действуют как вертикально поляризованные фильтры, уменьшая интенсивность горизонтально поляризованных бликов.) Это будет иметь место в любом месте на предметном стекле, где наностолбик оставил неизменной поляризацию падающего света. . Такая область будет выступать в виде темного пятна на далеком экране.

В тех местах, где наностолбик поворачивает поляризацию падающего белого света, фильтр пропускает определенное количество красного, зеленого или синего света. Величина зависела от угла поворота; чем больше угол, тем больше интенсивность проходящего света. Таким образом, команда впервые смогла управлять цветом и яркостью.

После того, как исследователи NIST продемонстрировали базовый дизайн, они создали цифровую копию миниатюрной версии картины Вермеера, длиной около 1 миллиметра. Затем они использовали цифровую информацию для изготовления матрицы из миллионов наностолбиков. Исследователи представили цвет и интенсивность каждого элемента изображения или пикселя Вермеера группой из пяти наностолбиков – одного красного, двух зеленых и двух синих – ориентированных под определенными углами к падающему свету. Изучая изображение миллиметрового размера, созданное командой путем сияния белого света через наностолбики, исследователи обнаружили, что они воспроизвели «Девушку с жемчужной сережкой» с исключительной четкостью, даже передав текстуру масляной краски на холсте.

«Качество воспроизведения, улавливающее тонкие цветовые градации и детали теней, просто замечательное», – сказал исследователь и соавтор исследования NIST Агравал. «Эта работа довольно элегантно соединяет области искусства и нанотехнологий».

Для создания наностолбиков Агравал и его коллеги сначала нанесли слой ультратонкого полимера на стекло толщиной всего в несколько сотен нанометров. Используя электронный луч, похожий на миниатюрную дрель, они затем выкопали в полимере множество миллионов крошечных отверстий разных размеров и ориентации.

Затем, используя технику, известную как осаждение атомных слоев, они снова заполнили эти отверстия диоксидом титана. Наконец, команда вытравила весь полимер, окружающий отверстия, оставив после себя миллионы крошечных столбов из диоксида титана. Размер и ориентация каждого наностолба представляли, соответственно, оттенок и яркость конечного изображения миллиметрового размера.

Технику наностолбиков можно легко адаптировать для передачи света определенных цветов с определенной интенсивностью, для передачи информации через оптическое волокно или для нанесения на ценный предмет миниатюрной многоцветной опознавательной метки, которую трудно воспроизвести.

Источник: http://www.nist.gov/[19459010impression