Квест по созданию искусственной «кожи кальмара» - камуфлирующих метаматериалов, способных «видеть» цвета и автоматически сливаться с фоном - стал на шаг ближе к реальности благодаря революционной технологии цветного отображения, представленной на этой неделе Райсом. Университетская лаборатория нанофотоники (LANP).
Новая технология полноцветных дисплеев использует наночастицы алюминия для создания ярких красных, синих и зеленых оттенков, характерных для современных первоклассных ЖК-телевизоров и мониторов. Технология описана в новом исследовании, которое будет опубликовано на этой неделе в раннем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Прорыв является последним в череде недавних открытий группы под руководством Райс, которая в 2010 году приступила к созданию метаматериалов, способных имитировать маскировочные способности головоногих моллюсков - семейства морских существ, в которое входят кальмары, осьминоги и каракатица.
«Наша цель - учиться у этих удивительных животных, чтобы мы могли создавать новые материалы с такими же распределенными способностями восприятия света и обработки, которые, по-видимому, имеют их шкуры», - сказала директор LANP Наоми Халас. соавтор исследования PNAS. Она является главным исследователем гранта Управления военно-морских исследований на сумму 6 миллионов долларов для межучрежденческой группы, в которую входят морские биологи Роджер Хэнлон из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, и Томас Кронин из Университета Мэриленда, округ Балтимор.
"Мы знаем, что у головоногих в коже есть те же белки, что и в нашей сетчатке, поэтому часть нашей задачи, как инженеров, состоит в том, чтобы создать материал, который может "видеть" свет так, как видит их кожа. это, а еще одна проблема заключается в разработке систем, которые могут реагировать и отображать яркие камуфляжные узоры», - сказал Халас.
Новая технология цветного дисплея LANP обеспечивает яркие красные, синие и зеленые оттенки пикселя размером в пять микрон, каждый из которых содержит несколько сотен алюминиевых наностержней. Изменяя длину наностержней и расстояние между ними, исследователи из LANP Стефан Линк и Яна Олсон показали, что могут создавать пиксели, воспроизводящие десятки цветов, в том числе насыщенные тона красного, зеленого и синего цветов, сравнимые с теми, что встречаются в изображениях высокой четкости. ЖК-дисплеи.
«Алюминий полезен, потому что он совместим с методами производства микроэлектроники, но до сих пор тона, производимые плазмонными алюминиевыми наностержнями, были приглушены и размыты», - сказал Линк, доцент кафедры химии в Райсе и ведущий исследователь. исследование ПНАС.«Ключевым достижением здесь было размещение наностержней в упорядоченном массиве».
Олсон сказала, что настройка массива позволила ей настроить цвет пикселя двумя способами: во-первых, путем изменения длины наностержней, а во-вторых, путем регулировки длины промежутков между наностержнями.
«Такое расположение позволило нам сузить выходной спектр до одного отдельного цвета вместо типичных приглушенных оттенков, которые обычно создаются наночастицами алюминия», - сказала она.
Пятимикронные квадратные пиксели Olson примерно в 40 раз меньше, чем пиксели, используемые в коммерческих ЖК-дисплеях. Чтобы сделать пиксели, она использовала алюминиевые наностержни, каждый из которых имел размеры около 100 нанометров в длину и 40 нанометров в ширину. Она использовала электронно-лучевое осаждение для создания массивов - регулярных расположений наностержней - в каждом пикселе.
Она смогла точно настроить цвет, создаваемый каждым пикселем, используя теоретические расчеты физиков Райса Алехандро Манявакаса, исследователя с докторской степенью, и Питера Нордландера, профессора физики и астрономии.
«Алехандро создал подробную модель плазмонного взаимодействия в дальней зоне между наностержнями», - сказал Олсон. «Это оказалось очень важным, потому что мы могли использовать его для очень точного подбора цветов».
Халас и Линк сказали, что исследовательская группа надеется создать ЖК-дисплей, в котором используются многие из тех же компонентов, что и в современных дисплеях, включая жидкие кристаллы, поляризаторы и пиксели с индивидуальной адресацией. Фотонные алюминиевые матрицы будут использоваться вместо цветных красителей, которые используются в большинстве коммерческих дисплеев. В отличие от красителей, массивы не выгорают и не обесцвечиваются после длительного воздействия света, а присущая наностержням направленность дает еще одно преимущество.
«Поскольку наностержни в каждом массиве выровнены в одном направлении, наши пиксели излучают поляризованный свет», - сказал он. «Это означает, что мы можем отказаться от одного поляризатора в нашей установке, а также дает нам дополнительную ручку, которую мы можем использовать для настройки выходного сигнала этих массивов. Это может быть полезно во многих отношениях."
Линк и Халас заявили, что надеются на дальнейшее развитие технологии отображения и, в конечном счете, на объединение ее с другими новыми технологиями, которые команда разработчиков кожи кальмара разработала как для восприятия света, так и для отображения узоров на больших полимерных листах. Например, Халас и его коллеги в августе опубликовали исследование в журнале Advanced Materials о технологии фотодетекторов на основе алюминия, совместимой с КМОП, для распознавания цвета. Кроме того, в августе Джон Роджерс и его коллеги из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн опубликовали в PNAS исследование, подтверждающее концепцию, о новых методах создания гибких черно-белых полимерных дисплеев, которые могут менять цвет в зависимости от их цвета. окружение.
«Мы надеемся в конечном итоге объединить все эти технологии, чтобы создать новый материал, который может воспринимать свет в полном цвете и реагировать полноцветными камуфляжными дисплеями», - сказал Халас.
Исследование финансировалось Министерством обороны через программу Фундаментальных исследований Управления военно-морских исследований и Фондом Уэлча. Соавторами исследования цветного дисплея в PNAS являются Лифей Лю, Вей-Шун Чанг, Бенджамин Ферстер, Николас Кинг и Марк Найт, все из Rice.