Biologen und Nanotechnologieforscher der Rice University arbeiten seit Jahren an einem von der US Navy finanzierten Projekt, um ein Material zu entwickeln, das sich in Echtzeit visuell an die Umgebung anpassen kann. Das Ziel ist es, Schiffe, Fahrzeuge und schließlich Soldaten unsichtbar oder fast unsichtbar zu machen, genau wie einige Tintenfischarten und andere Kopffüßer.
Mit Tintenfischhaut als Modell entwickelten die Wissenschaftler ein flexibles, hochauflösendes Display mit geringem Stromverbrauch, das seine Umgebung realistisch nachahmen könnte. Die neue Anzeigetechnologie macht einzelne Pixel (die kleinen farbigen Punkte, aus denen das Bild auf Ihrem Fernseher und Smartphone besteht) für das menschliche Auge unsichtbar. Mithilfe von Aluminium-Nanostäben mit präzisen Längen und Abständen konnten die Forscher lebendige Punkte in verschiedenen Farben erzeugen, die 40-mal kleiner sind als die Pixel, die in heutigen Fernsehgeräten zu finden sind.
Wie es funktioniert
In einer Studie, die kürzlich in der frühen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, veranschaulichen die Autoren, wie sie eine Technik namens Elektronenstrahlabscheidung verwendeten, um Arrays aus Nanostäben und fünf Mikrometer großen Pixeln zu erstellen - ungefähr die Größe einer Pflanzen- oder Schimmelpilzspore - die ohne Verwendung von Farbstoffen leuchtende Farben erzeugt, die mit der Zeit verblassen können. Die Farbe jedes dieser winzigen Pixel kann durch Variieren der Abstände zwischen den Stäben in den Arrays oder der Längen der einzelnen Stäbe fein abgestimmt werden.
Die Forscher haben eine Reihe von nanoskaligen Pixeln erstellt, die präzise auf verschiedene Farben abgestimmt werden können (A). Jedes Pixel besteht aus einer Reihe winziger Aluminiumstäbe (B), die je nach Länge und Anordnung unterschiedliche Farben erzeugen. (Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika) (Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika) Die Farbe des Pixels entsteht, wenn Licht auf die Nanostäbe trifft und bei bestimmten Wellenlängen streut. Durch Variation der Anordnung und Länge der umgebenden Nanostäbe kann das Team präzise steuern, wie das Licht herumprallt, das Lichtspektrum verengen und das sichtbare Licht, das jedes Pixel abgibt, anpassen. Die Pixel, die das Team erstellt hat, sind ebenfalls plasmonisch, was bedeutet, dass sie je nach Umgebungslicht heller und dunkler werden, ähnlich wie die Farben in Buntglas. Dies könnte nützlich sein, um Displays mit geringerem Stromverbrauch in Consumer-Geräten zu erstellen, die auch die Augen weniger belasten sollten.
Da die Technologie hauptsächlich auf Aluminium basiert, das kostengünstig und einfach zu verarbeiten ist, sollten diese Anzeigetypen nicht unerschwinglich teuer oder äußerst schwierig herzustellen sein.
Raum für Verbesserung
Stephan Link, außerordentlicher Professor für Chemie an der Rice University und leitender Forscher bei der PNAS-Studie, sagte, das Team habe nicht versucht, grundlegende Probleme mit der vorhandenen Display-Technologie zu lösen, sondern auf kleinere Pixel für die Verwendung in einem Wearable hinzuarbeiten. stromsparendes Material, das dünn ist und auf Umgebungslicht reagiert.
"Nachdem wir nun diese schönen Farben haben", heißt es in einer E-Mail, "überlegen wir, wie wir sie verbessern und wie wir auf die Nano-Tintenfischhaut hinarbeiten können, die das ultimative Ziel dieser Zusammenarbeit ist."
Eine Möglichkeit, die Technologie zu verbessern, bestünde laut Link darin, mit Experten aus der kommerziellen Display-Industrie zusammenzuarbeiten. Obwohl die Technologie zur Herstellung der Pixel sehr unterschiedlich ist, geht das Team davon aus, dass viele der anderen Displaykomponenten, wie die Flüssigkristalle, die die Bildwiederholfrequenz und die Pixelreaktionszeit eines Displays bestimmen, mit den heute verwendeten identisch oder vergleichbar sein werden.
Um eine flexible Anzeige zu erhalten, können die Forscher versuchen, die Pixel wie Schuppen auszubilden, damit sich das darunter liegende Material verbiegt, die Flüssigkristalle und das Aluminium-Nano-Array jedoch flach bleiben können. Aber um an diesen Punkt zu gelangen, braucht das Team möglicherweise Hilfe.
"Es scheint irgendwie lustig zu sein, es zu sagen, aber eine große Hürde besteht darin, die Größe des Flüssigkristallteils unserer Displays zu verkleinern", schreibt Link. "In der Technologie sieht man immer wieder sehr kleine LCD-Bildschirme, aber wir haben nicht die ausgefallenen Industriemaschinen, die solche mit so hoher Präzision und Reproduzierbarkeit herstellen können. Das ist eine große Hürde für uns."
Eine weitere potenzielle Hürde besteht darin, die enorme Farbvielfalt der heutigen High-End-Displays zu reproduzieren. Während die Forscher noch nicht ganz da sind, scheint Link zuversichtlich, dass ihre Technologie der Aufgabe gewachsen ist.
"Das Tolle an Farbe ist, dass es zwei Möglichkeiten gibt, es zu machen", sagt Link. „Zum Beispiel die Farbe Gelb: Die Wellenlänge des Lichts, das gelb aussieht, beträgt 570 Nanometer, und wir könnten ein Pixel mit einer schönen scharfen Spitze bei 570 nm erstellen und so Gelb erhalten. Oder wir können Gelb erzeugen, indem wir ein rotes Pixel und ein grünes Pixel nebeneinander platzieren, wie dies bei aktuellen RGB-Displays der Fall ist. Für ein aktives Display ist RGB-Mischen die effizienteste Methode, aber für permanente Displays haben wir beide Möglichkeiten. “
RGB-Mischen hat bei vorhandenen Displays sichtbare Nachteile, da die Pixel oft mit bloßem Auge sichtbar sind. Aber mit dieser Technologie benötigen Sie ein Mikroskop, um sie zu sehen und zu erkennen, welche Methode zur Farberzeugung verwendet wird.
Anwendung der Erkenntnisse auf die Verbrauchertechnologie
Die Fähigkeit, die winzigen Stäbchen im Nanomaßstab präzise zu erstellen und zu manipulieren, spielt eine große Rolle für den Durchbruch des Teams. Wenn Sie die Länge oder den Abstand dieser winzigen Stäbchen auch nur geringfügig verändern, wirkt sich dies auf die Farbausgabe des fertigen Displays aus. Die Skalierung der Fertigung auf die Massenproduktion solcher Displays könnte daher - zumindest zunächst - ebenfalls ein Problem darstellen. Link ist jedoch zuversichtlich, da er auf zwei vorhandene Fertigungstechnologien verweist, mit denen diese Art von Displays hergestellt werden könnten: UV-Lithographie, bei der mit energiereichem Licht winzige Strukturen erzeugt werden, und Nanoimprint-Lithographie, bei der Stempel und Druck verwendet werden (ähnlich wie beim Verfahren) Die Ziffern auf einem Nummernschild sind geprägt, jedoch im mikroskopischen Maßstab.
"Abgesehen davon, dass wir die richtige Methode finden, um größere Bereiche zu strukturieren", sagt Link, "ist der Rest des Herstellungsprozesses eigentlich ziemlich einfach."
Link wollte nicht erraten, wann wir diese nanoskaligen Pixel in kommerziellen Displays und Geräten sehen könnten. Zu diesem Zeitpunkt konzentrieren er und seine Kollegen sich immer noch darauf, die Technologie auf das Ziel einer tintenfischartigen Tarnung auszurichten. Eine Zusammenarbeit mit kommerziellen Displayherstellern könnte dem Team dabei helfen, diesem Ziel näher zu kommen und gleichzeitig neue Arten von Displays für Consumer-Geräte hervorzubringen.
Vielleicht sollte sich Link's Gruppe bei Rice mit Forschern am MIT zusammenschließen, die ebenfalls daran arbeiten, die Eigenschaften der Haut von Kopffüßern zu replizieren. Die Wissenschaftler und Ingenieure dort haben kürzlich ein Material demonstriert, das nicht nur Farbe, sondern auch Textur imitieren kann. Dies wird ein wichtiges Merkmal für das Ziel des Militärs sein, Fahrzeuge unsichtbar zu machen. Ein flexibles Display könnte beispielsweise einen Panzer aus der Ferne wie Steine oder Schutt aussehen lassen. Aber wenn die Seiten immer noch glatt und flach sind, wird es bei näherer Betrachtung immer noch auffallen.
