Nanopillar İletilen Işığın Rengini ve Yoğunluğunu Kesin Olarak Kontrol Ediyor

0
14
Resimde, Johannes Vermeer'in "İnci Küpeli Kız" ın, gelen ışığın hem rengini hem de yoğunluğunu kontrol eden milyonlarca nanopillar kullanarak aslına uygun bir reprodüksiyonu tasvir edilmektedir. Kredi: T. Xu / Nanjing Üniversitesi

Yaklaşım, optik iletişimin iyileştirilmesi ve para biriminin sahtesini daha zor hale getirme konusunda potansiyel uygulamalara sahiptir.

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden (NIST) araştırmacılar ve işbirlikçileri, milyonlarca minik titanyum dioksit sütunu ile işaretlenmiş bir cam slayt üzerinde beyaz ışık parlatarak, “İnci Küpeli Kız” ın parlak tonlarını ve ince gölgelerini şaşırtıcı bir sadakatle yeniden ürettiler. , ”Hollandalı sanatçı Johannes Vermeer’in başyapıtı. Yaklaşım, optik iletişimin iyileştirilmesi ve paranın sahtesinin yapılmasını zorlaştırmada potansiyel uygulamalara sahiptir.

Örneğin, bir optik fiberde hareket eden ışığın belirli bir rengini veya dalga boyunu ekleyerek veya düşürerek, bilim adamları fiberin taşıdığı bilgi miktarını kontrol edebilir. Araştırmacılar, yoğunluğu değiştirerek, fiberde uzun mesafeler kat ederken ışık sinyalinin parlaklığını koruyabilirler. Yaklaşım, kağıt parayı, bir kalpazanın dövme yapmakta büyük güçlük çekeceği küçük ama karmaşık renk ayrıntılarıyla “boyamak” için de kullanılabilir.

Diğer bilim adamları daha önce beyaz ışıkla aydınlatıldığında belirli renkleri yakalamak ve yaymak için çeşitli boyutlarda küçük sütunlar veya nanopillar kullandılar. Yaklaşık 600 nanometre yüksekliğinde veya bir insan saçının çapının yüzde birinden daha az olan nanopillerin genişliği, bir sütunun yakalayıp yaydığı ışığın spesifik rengini belirler. Böyle bir tekniğin zorlu bir testi için araştırmacılar, nanopilların Vermeer gibi tanıdık bir resmin renklerini ne kadar iyi çoğalttığını incelediler.

Sol: Tam renkli bir nano boyama görüntüsü oluşturmak için şematik. Eklemeler, bir bileşen titanyum dioksit nanopillar ve fabrikasyon nanopillerin taramalı elektron mikroskobu görüntüsünü gösterir. Yanlış renk gölgelendirmesi, nanopillar tarafından üretilen ana renkleri gösterir. Ölçek çubuğu: 500 nm. Sağda: Beyaz ışık altında oluşturulan “İnci Küpeli Kız” ın deneysel renkli görüntüsü. Ölçek çubuğu: 50 μm. Kredi: T. Xu / Nanjing Üniversitesi

Birkaç araştırmacı ekibi, boyutları kırmızı, yeşil veya mavi ışığı iletmek için özel bir çıktı renkleri paleti oluşturmak üzere uyarlanmış milyonlarca nanopilları başarıyla düzenlemiş olsa da, bilim adamlarının bu renklerin yoğunluğunu kontrol etmenin hiçbir yolu yoktu. Renklerin yoğunluğu veya parlaklığı, bir görüntünün ışık ve gölgesini – kiaroscuro’yu – belirler ve Vermeer’in çalışmasının imza özelliği olan perspektif ve derinlik izlenimlerini aktarma yeteneğini geliştirir.

NIST araştırmacıları ve Çin’deki Nanjing Üniversitesi’nden işbirlikçileri, yalnızca ışığın belirli renklerini yakalayıp yaymakla kalmayıp aynı zamanda kutuplaşmasını değiştiren nanopillar imal ederek, ilk kez hem rengi hem de yoğunluğu kontrol etmenin bir yolunu gösterdiler. NIST’ten Amit Agrawal ve Wenqi Zhu ve College Park’taki Maryland Üniversitesi ile NIST’ten Henri Lezec’in de aralarında bulunduğu araştırmacılar bulgularını Optica dergisinin 20 Eylül sayısında anlatıyorlar.

Yeni çalışmalarında, NIST ekibi, dairesel kesit yerine eliptik bir kesite sahip titanyum dioksitten bir cam slayt nanopillar üzerinde imal etti. Dairesel nesnelerin tek bir düzgün çapı vardır, ancak eliptik nesnelerin uzun bir ekseni ve kısa bir ekseni vardır.

Araştırmacılar nanopilleri, farklı konumlarda uzun eksenleri gelen beyaz ışığın polarizasyonu ile daha hizalı veya daha az hizalı olacak şekilde tasarladılar. (Polarize ışık, uzayda seyahat ederken elektrik alanı belirli bir yönde titreşen ışıktır.) Nanopilların uzun ekseni, gelen ışığın polarizasyon yönüyle tam olarak hizalıysa, iletilen ışığın polarizasyonu etkilenmezdi. Fakat eğer uzun eksen gelen ışığın polarizasyon yönüne göre bir açıyla (örneğin 20 derece) döndürülmüşse, nanopillar gelen ışığın polarizasyonunu bu açının iki katı (bu durumda 40 derece) döndürdü.

Cam slayttaki her konumda bir nanopillerin yönü, ilettiği kırmızı, yeşil veya mavi ışığın belirli bir miktarda polarizasyonunu döndürdü.

Tek başına, her bir nanopillar tarafından sağlanan dönüş, iletilen ışığın yoğunluğunu hiçbir şekilde değiştirmeyecektir. Ancak ekip, cam slaydın arkasına yerleştirilmiş özel bir polarize filtre ile birlikte bu hedefe ulaştı.

Filtre, orijinal polarizasyonunu koruyan herhangi bir ışığın geçmesini önleyecek şekilde yönlendirildi. (Güneş gözlükleri hemen hemen aynı şekilde çalışır: Lensler dikey olarak polarize filtreler gibi davranarak yatay polarize parlamanın yoğunluğunu azaltır.) Bu, cam slayt üzerinde bir nanopillerin gelen ışığın polarizasyonunu değiştirmeden bıraktığı herhangi bir yer için geçerli olacaktır. . Böyle bir bölge, uzaktaki bir ekranda karanlık bir nokta olarak yansıtılır.

Bir nanopillerin gelen beyaz ışığın polarizasyonunu döndürdüğü yerlerde, filtre belirli bir miktarda kırmızı, yeşil veya mavi ışığın geçmesine izin verdi. Miktar, dönüş açısına bağlıdır; açı ne kadar büyükse, iletilen ışığın yoğunluğu o kadar büyük olur. Bu sayede ekip ilk kez hem rengi hem de parlaklığı kontrol etti.

NIST araştırmacıları temel tasarımı gösterdikten sonra, Vermeer resminin minyatür bir versiyonunun yaklaşık 1 milimetre uzunluğundaki dijital bir kopyasını oluşturdular. Ardından, milyonlarca nanopilden oluşan bir matrisin üretimine rehberlik etmek için dijital bilgiyi kullandılar. Araştırmacılar, Vermeer’in her bir resim öğesinin veya pikselinin rengini ve yoğunluğunu, gelen ışığa belirli açılarda yönlendirilmiş beş nanopilardan oluşan bir grupla (bir kırmızı, iki yeşil ve iki mavi) temsil ettiler. Ekibin nanopillar aracılığıyla beyaz ışık parlatarak oluşturduğu milimetre boyutundaki görüntüyü inceleyen araştırmacılar, “İnci Küpeli Kız” ı son derece net bir şekilde yeniden ürettiklerini, hatta yağlı boyanın dokusunu tuval üzerine yakaladıklarını keşfettiler.

NIST araştırmacısı ve çalışmanın ortak yazarı Agrawal, “İnce renk geçişlerini ve gölge ayrıntılarını yakalayan yeniden üretim kalitesi, tek kelimeyle olağanüstü” dedi. “Bu çalışma, sanat ve nanoteknoloji alanlarını oldukça zarif bir şekilde birleştiriyor.”

Nanopilleri inşa etmek için Agrawal ve meslektaşları önce cam üzerine sadece birkaç yüz nanometre kalınlığında bir ultra ince polimer tabakası bıraktılar. Minyatür bir matkap gibi bir elektron ışını kullanarak, polimerde farklı boyutlarda ve yönlerde milyonlarca küçük delik dizisi kazdılar.

Daha sonra atomik katman biriktirme olarak bilinen bir teknik kullanarak bu delikleri titanyum dioksitle doldurdular. Son olarak ekip, delikleri çevreleyen tüm polimeri kazdı ve arkasında milyonlarca minik titanyum dioksit sütunu bıraktı. Her nanopillerin boyutu ve yönü, sırasıyla, son milimetre boyutundaki görüntünün tonunu ve parlaklığını temsil ediyordu.

Nanopillar tekniği, belirli yoğunluklarda belirli ışık renklerini iletmek, bir optik fiber aracılığıyla bilgi iletmek veya kopyalanması zor olan minyatür, çok renkli bir tanımlama işaretiyle değerli bir öğeyi damgalamak için kolayca uyarlanabilir.

Referans: Pengcheng Huo, Maowen Song, Wenqi Zhu, Cheng Zhang, Lu Chen, Henri J. Lezec, Yanqing Lu, Amit Agrawal ve Ting Xu, 4 Eylül 2020, “Düşük kayıplı bir meta yüzey tarafından sağlanan fotogerçekçi tam renkli nanopainting” Optica.
DOI: 10.1364 / OPTICA.403092


YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz