Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с Университетом науки и технологий имени короля Абдаллы разработали новую, более надежную и экономичную систему для создания крупномасштабных метаматериалов со структурной структурой. цвет.
Исследование описано в журнале Nature Light: Science and Applications.Перо павлина или крыло бабочки зависят от фотонных кристаллов или высокоупорядоченных массивов нановолокон для получения цвета. Воспроизведение этих структур в лаборатории требует точности и дорогостоящего изготовления.
Исследователей SEAS вдохновил совсем другой вид перьев.Континги — одно из самых ярких семейств птиц на планете. В зеленом море Амазонки их перья сочатся голубым, ярко-оранжевым и ярким пурпуром.
В отличие от упорядоченного массива наноструктур павлина, континги получают свои яркие оттенки из неупорядоченной и пористой наносети кератина, которая выглядит как губка или кусок коралла. Когда свет падает на перо, пористый кератиновый узор заставляет красные и желтые длины волн нейтрализовать друг друга, в то время как синие длины волн света усиливают друг друга.«Обычно мы связываем идею беспорядка с представлением о том, что что-то не поддается контролю», — сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике в SEAS Винтон Хейс и старший автор статьи. «Здесь беспорядок можно использовать в наших интересах и использовать в качестве конструктивного параметра для создания нового класса метаматериалов с широким спектром функций и приложений»Вдохновленные пером котинга, исследователи использовали простой процесс травления для создания сложной, но случайной пористой наносети в металлическом сплаве.
Затем структура была покрыта ультратонким прозрачным слоем оксида алюминия.Вы можете подумать, какие цвета может давать металлический сплав, кроме серого?
Как оказалось, много. Еще со времен английского ученого 19 века Майкла Фарадея ученые знали, что металлы содержат множество цветов, но свет не проникает достаточно глубоко, чтобы их раскрыть. Например, золотая частица, в зависимости от ее размера и формы, может быть красной, розовой или даже синей.Пористая наноструктура создает в сплаве локализованные горячие точки разного цвета.
Цвет, отражаемый локализованными состояниями, зависит от толщины прозрачного покрытия.Без покрытия из оксида алюминия материал выглядит темным. С покрытием толщиной 33 нанометра материал отражает синий свет. При длине волны 45 нанометров материал становится красным, а с покрытием толщиной 53 нанометра — желтым.
Изменяя толщину покрытия, исследователи могли создать градиент цветов.«Эта ситуация эквивалентна материалу с чрезвычайно большим количеством микроскопических и ярких источников света», — сказала Андреа Фраталокки, автор статьи и профессор электротехники; Прикладная математика и вычислительные науки в Университете науки и технологий имени короля Абдаллы. «Присутствие тонкого слоя оксида может контролировать интенсивность этих источников, коллективно включая и выключая их в зависимости от толщины оксидного слоя. Это исследование показывает, как неупорядоченные материалы можно превратить в чрезвычайно мощную технологию, которая может разрешить крупномасштабные приложения, которые были бы невозможны с обычными носителями ".Метаповерхность чрезвычайно легкая и устойчивая к царапинам и может использоваться в крупномасштабных коммерческих приложениях, таких как легкие покрытия для автомобильного сектора, биомиметические ткани и камуфляж.
«Это совершенно новый способ управления оптическими откликами в метаматериалах», — сказал Хеннинг Галински, соавтор статьи и бывший научный сотрудник группы Капассо. «Теперь у нас есть способ конструировать метаматериалы в очень маленьких областях, которые раньше были слишком малы для традиционной литографии. Эта система прокладывает путь для крупномасштабных и чрезвычайно надежных метаматериалов, которые действительно интересными способами взаимодействуют со светом».