Sie sehen nie einen verblassten Pfau. Die hellen, schillernden, grünen und blauen Federn bleichen nicht in der Sonne und verfärben sich mit der Zeit nicht. Das liegt daran, dass die Farbe alles von der Struktur kommt, nicht vom Pigment. Die Federn selbst sind braun und es sind die winzigen Formen, die dazu führen, dass Lichtwellenlängen sich gegenseitig stören und die Farben erzeugen, die Sie sehen.
Das Phänomen ist seit Hunderten von Jahren untersucht worden, aber in den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler begonnen, diese Art der Kolorierung in künstliche Strukturen umzuwandeln. Ein Beispiel hierfür ist ein Artikel, der heute in Science Advances veröffentlicht wurde . Xiaolong Zhu und ein Team der Technischen Universität Dänemark haben eine Methode entwickelt, bei der mithilfe von Lasern Nanostrukturen aus Germanium erstellt werden, die Wellenlängen bestimmter Farben reflektieren, und mit der dauerhafte Farbbilder erstellt werden können.
„Das Wichtigste ist, dass wir viele Farben mit einem hochauflösenden Laserdruck durch einen sehr dünnen Film aus Germaniummaterial drucken“, sagt Zhu.
Er nennt es Laserdruck, obwohl die Grundlagen der strukturellen Farbe eine Reihe von mikroskopischen Säulen auf einer Oberfläche aufweisen, anstatt das, was wir als normalen Laserdrucker betrachten. Die Größe und Form dieser Säulen entspricht der Wellenlänge des sichtbaren Lichts, so dass nur bestimmte Wellenlängen aus den Mulden austreten können. Unter künstlichen Materialien ist dieses Substrat ein Metall oder ein Halbleiter. In diesem Fall legten Zhu und sein Team Germanium über Plastiksäulen und waren die Ersten, die solche Strukturen aus einem Halbleiter ohne eingemischtes Metall bauten.
Dies brachte einen besonderen Vorteil: Ein auf die richtige Frequenz abgestimmter Hochleistungslaser kann das Germanium selektiv schmelzen. Ausgangspunkt ist ein dünner Germaniumfilm, der über eine dünne, flexible Kunststoffoberfläche gespannt ist und mikroskopisch kleine runde Säulen aufweist, die sich nach oben erstrecken. Wenn die Forscher die Säulen mit dem Laser treffen, schmelzen sie von einem Kreis zu einer Kugel, wodurch sich die Farbe des Materials von Rot zu Blau ändert. Da die Säulen nur 100 Nanometer breit sind, kann das Verfahren bis zu oder über 100.000 dpi liefern, was in etwa der für herkömmliche Laserdrucker theoretisch möglichen maximalen Auflösung entspricht.
Besser noch, der Grad des Schmelzens ist ebenfalls steuerbar, was bedeutet, dass eine Halbkugel oder eine Teilkugel irgendwo im visuellen Spektrum zwischen den beiden Extremen eine Farbe zeigen kann.
„Was sie hier wirklich lösen, ist ein wichtiges technisches Problem, das für bestimmte Anwendungen in Strukturfarben gelöst werden muss. Auf diese Weise können Sie ein System erstellen, in das Sie ein Muster als verschiedene Strukturfarben an verschiedenen Stellen in schreiben können das Muster “, sagt Vinothan Manoharan, ein Physikprofessor in Harvard, dessen Labor eine andere Methode zur Erzeugung von Strukturfarben untersucht, die auf der Selbstorganisation von Nanopartikeln basiert.
Druckbare strukturelle Färbungen wie diese sind wegen ihrer Haltbarkeit wünschenswert. Wie der Pfau verblassen oder bleichen sie nicht.
"Es wird für eine lange Zeit nicht verblassen", sagt Zhu. „Das ist der Vorteil dieser Art von Technologie. Die Tinte von Pigmenten wird im Laufe der Zeit verblassen, insbesondere für den Außengebrauch. “
Ein Laser druckte 127.000 Punkte pro Zoll in diesem Bild der Mona Lisa. (Technische Universität von Dänemark) Während diese Methode ein Material erfordert, das mit einem Halbleiter überzogen ist (und kein besonders billiges, obwohl das Team daran arbeitet, Germanium durch das leichter verfügbare Silizium zu ersetzen), sagt Zhu, dass die Halbleiterschicht so dünn ist - 35 Nanometer -, dass darauf gedruckt wird wird für viele Anwendungen machbar. Er erwähnt zunächst die Sicherheit und die Speicherung von Informationen, da sich für diese die hohe Auflösung und die hohe Informationsdichte eignet, die durch die Farbcodierung ermöglicht wird.
Eine DVD könnte ein Sicherheitsmuster enthalten, sagt er. Oder wenn die kreisförmigen Säulen durch quadratische Kästchen ersetzt werden, polarisiert das Licht auf eine bestimmte Weise. Informationen konnten gespeichert, aber nur bei korrekt polarisiertem Licht abgerufen werden. Dies könnte zum Schutz vor Fälschungen in Währungen in Wasserzeichen oder „Tinte“ eindringen.
Suchen Sie jedoch nicht bald nach etwas in den Regalen. Zhu und sein Team versuchen immer noch, ein kniffliges, aber wichtiges Problem zu lösen: wie man grünes Licht erzeugt. Grün liegt in der Mitte des Spektrums, dh sie müssen Strukturen entwickeln, um sowohl blaues als auch rotes Licht zu absorbieren. Dafür entwickeln sie derzeit kompliziertere Nanostrukturen, sagt Zhu.
"Sie müssen noch einige andere Probleme lösen, um die gewünschten Anwendungen zu erreichen", sagt Manoharan. „Das ist jetzt ein großes Feld. Es gibt viel Arbeit in diesem Raum. Es gibt eine breite Palette von Anwendungen für Strukturfarben, und das ist einer der Gründe, warum es so viele verschiedene Techniken gibt. Für diese Anwendung ist es meiner persönlichen Meinung nach wirklich gut für Sicherheitstinten. "
